北京市地下水监测站网系统建设工程测量关键技术

于涛

（北京市工程地质研究所，北京 100048）

北京市地下水环境监测站网系统建设工程是北京市重点项目之一。北京市地下水环境监测站网系统建设工程项目在整合现有部分区域264眼监测井的基础上，对水源地地区、已知污染区、地下水限采区以及山区开展专门监测井补充建设。新建监测井230眼，其中平原区监测井64眼、山区监测井30眼、污染源监测井136眼；同时新建10处泉水监测设施，从而对山区具有代表性的一类大泉进行流量、水质监测。工程建成后将形成北京地下水监测“一张网”，大大提升北京地下水环境监测能力，为污染风险的有效管理和防范提供基础数据和技术支撑。本工程自2018年建设以来，历时7个多月，于2019年7月完成全部测量工作，共测量井位504处，工程测量累计完成卫星定位（GNSS）测量629点，导线测量103站，四等水准测量1125 km。测量成果包括各监测井位的经纬度坐标和北京地方坐标，以及各监测井的水准高程。

本文以北京市地下水环境监测站网系统建设工程项目成果为基础，通过对北京市地下水监测站网系统建设中工程测量的测量坐标系统及起算控制点要求、平面坐标测量、导线测量、高程测量等多项关键技术的工作内容、技术要求、测量方法步骤、数据解算、成果分析研究等方面进行了详细的介绍，通过新方法和常规测量手段相结合，总结了一套适用于监测站网系统建设工程的技术，为类似的项目参考。

1 工程概况

2011年建成北京市平原区地下水环境监测网，共有地下水监测井1182眼，其中区域地下水监测井822眼，污染源专项监测网（与环保部门共建）共有监测井360眼（北京市地质工程勘察院，2017），主要用于分层监测地下水位、水质状况，实现了由原来的以“资源型”为主的“平面监测”转变为“资源与环境并重型”的“立体分层监测”。污染源监测井重点对工业园区、工业企业、垃圾场、畜禽养殖场、高尔夫球场、河道和农业再生水灌溉区等进行观测。

2018年北京市地下水监测站网系统建设工程拟建监测井230眼，涉及北京市13个行政区，根据监测目的共分为4类：山区基岩监测井、水源地监测井、污染区监测井和重点污染源监测井。监测井的类型及分布见图1。

图1 北京市地下水监测井类型统计图Fig.1 statistical map of groundwater monitoring well types in Beijing

2 测量关键技术

北京市地下水监测站网系统工程中测量专业的内容包括测量坐标系统及起算控制点要求、平面坐标测量、导线测量、高程测量4项主要关键技术。其中，坐标系统的选择是平面控制测量的重要问题，是测绘工作基础；平面坐标测量技术的关键是采用卫星定位（GNSS）测量和导线测量相结合的方式；导线测量技术的关键采用闭合导线的方法，根据测量平差和误差理论，可对全部观测数据进行整体平差，有效提供成果的精度和有效性；高程测量的关键是针对井位高程测量以监测井附近北京市一、二等水准点为起算数据，通过四等水准观测，引测至井位处。

2.1 测量坐标系统及起算控制点要求

1）采用的坐标系统

坐标系统的选择是平面控制测量的重要问题。根据CJJ/T 8—2011《城市测量规范》的规定，坐标系的选择应与投影长度变形相对误差不大于1/40000，这样的长度变形，才能满足城市测量的需要（吴云孙等，2005）。本工程测量使用的平面、高程系统为北京地方坐标系和北京地方高程系，其中测量成果中包括经纬度和北京地方坐标系成果各1份。

2）起算控制点选取

经过实地踏勘和对设计资料的分析，本工程平面坐标起算点以北小营等58个北京市AB级及C级卫星定位（GNSS）点作为起算点。水准高程以（18）28A等116个北京一、二等水准点作为起算点。

2.2 平面坐标测量技术

2.2.1 平面坐标测量的方法

监测井平面坐标测量采用卫星定位（GNSS）测量和导线测量相结合的方式。对周边空旷，卫星信号无遮挡的监测井，直接采用卫星定位（GNSS）测量测定其井位中心坐标；对周边遮挡严重，卫星信号接收无法满足测量要求的监测井，在监测井周边空旷地区选取2个相互通视的临时点位，采用卫星定位（GNSS）测量测定其坐标，其后使用导线测量方法将监测井井位坐标测出。

2.2.2 卫星定位（GNSS）测量网形设计

目前，新一代的全球导航系统（GNSS），包括美国现代化GPS、俄罗斯现代化GLONASS系统（Al-Shaery et al.，2013；Cai Changsheng et al.，2015），欧盟Galileo系统和中国北斗系统（BDS），正在不断完善。针对本项目GNSS技术，监测井卫星定位（GNSS）网应与已有的北京市高等级GNSS点进行联测，联测点数不应少于3点。以朝阳区为例，朝阳区共14处监测井，根据相关要求选取孙河西、大望京、吕家营、南大沟和英各庄道口等5个北京市C级GNSS点作为起算控制点。此次GNSS测量最多可采用10台GNSS接收机组建中点多边形的图形结构，用边连式的方法进行实测。北房镇、大望京、官庄路口西等3个C级GNSS点固定不动，分批测量全区14个监测井坐标。根据现场观测情况，外业分为5个时段，第1时段时长为24 h，其他时段均为1 h。

2.2.3 技术要求

卫星定位控制网技术指标参照D级，主要技术指标：平均边长5 km，水平分量中误差≤20 mm，垂直分量中误差≤40 mm，最小相对精度1×10-3。

2.2.4 卫星定位（GNSS）基线解算

GNSS常用的定位方式有静态，实时动态差分，精密单点定位，实时广域差分等方式，在长距离和短距离的静态计算中，一般都能获得满意的定位成果（柴军兵，2016；Ge et al.，2006；Chen Hua et al.，2014；Ding Wenwu et al.，2017）。本次GNSS基线向量的解算采用多站、多时段自动处理的方法进行。同一级别的GNSS网，根据基线长度不同，采用不同的数据处理模型。为了提高精度和可靠性，基于数据质量情况，所有基线均采用双差相位观测值和双差固定解（付晨等，2021）。

基线解算时，数据质量太差而导致无法获得合格固定解的基线被禁用。选取质量较好的基线参与最终的GNSS网平差计算，精度满足GB/T 18314—2009《全球定位系统（GPS）测量规范》要求。朝阳区部分基线解算精度统计表见表1。

表1 朝阳区基线解算精度统计表Tab.1 Statistical table of baseline solution accuracy in Chaoyang District

2.2.5 卫星定位（GNSS）数据检核

GNSS控制网外业观测的全部数据经同步环闭合差、异步环闭合差及复测基线较差3项检核，并满足GB/T 18314—2009《全球定位系统（GPS）测量规范》的各项要求。

1）同步环闭合差检核

同步环闭合差表示的是一个同步环数据质量的好坏，因多台接收机同步观测时各边是不独立的，在理论上其闭合差为零，但通常不为零，其大小能够反映GNSS外业观测质量和基线解算质量的可靠性。同步环各坐标分量及全长闭合差满足下列各式要求：

式中：N为同步环中基线边的个数；W为环闭合差（mm）；σ为标准差，即基线向量的弦长中误差（mm）；a为固定误差（mm）；b为比例误差系数（1×10-6）；d为GNSS控制网中相邻点间的平均距离（km）。

经过计算，对于环闭合差不满足要求的同步环，查看造成其不符合要求的原因，排除数据输入错误，精细处理相关基线并解算，以达到精度要求。经过精细化处理之后仍然不能达到要求的，进一步择优选取基线和闭合环，使最终参与平差计算的同步环闭合差均满足上述要求。

2）异步环闭合差检核

异步环闭合差表示的是整个GNSS网的外业观测质量和基线解算质量的可靠性。当独立观测的基线向量构成闭合图形时，其闭合差在理论上应为零，由于测量误差和数据处理模型误差等因素的影响，导致闭合差不为零。相对于同步环闭合差，异步环闭合差对GNSS成果质量更为重要。

独立基线构成的独立环各坐标分量及全长闭合差满足下列各式要求：

式中，n为独立环中基线边的个数。

对于异步环闭合差不满足要求的环，同样查看造成其不符合要求的原因，排除数据输入错误，精细处理相关基线并解算，以达到异步环闭合差的精度要求。经过精细化处理之后仍然不能达到要求的，进一步择优选取基线，优化异步环的构成基线组合，使最终参与平差计算的异步环闭合差满足上述要求。

3）复测基线较差检核

一条基线若观测多个时段，其有多个向量结果。各时段解向量的重复性表示基线解的内部精度，是衡量基线解质量的一个重要指标。复测基线长度较差满足下式要求：

式中，n为同一边复测的次数，通常等于2。

2.2.6 平差计算

1）三维无约束平差

在各项质量检核符合要求后，以所有独立基线组成闭合图形，以三维基线向量及其相应方差协方差阵作为观测信息，以1个点的WGS-84系的三维坐标作为起算依据，在WGS-84坐标系中进行三维无约束平差。第一次网平差往往不能完全符合要求，这时，根据软件特性，选取合适的权，再次进行平差，以达到合格的目的。部分三维无约束平差结果可以看出（表2），本次GNSS网的点位精度较高，说明GNSS观测网本身的内部精度很高，GNSS观测数据质量比较好。

表2 三维点网平差统计表Tab.2 statistics of 3D point network adjustment

2）二维无约束平差

在二维约束平差前对已知点进行可靠性检验，对参与约束平差的已知点进行分析和筛选，选择正确而且精度较高的已知点进行二维约束平差，以免利用了错误或精度较低的已知点影响整个GNSS控制网的最终成果。

在北京城市坐标系中进行约束平差及精度评定，并输出北京地方坐标系的坐标以及相关的中误差精度信息。二维无约束平差结果可以看出（表3），本次GPS测量最大点位中误差为3.8427 mm，符合《全球定位系统（GPS）测量规范》3.2.2要求。

表3 点位中误差统计表Tab.3 statistical table of point mean square error

2.2.7 测量成果

在外业完成后，项目组安排专人使用北京市CORS系统，对监测井测量成果进行抽检（表4），抽检结果均符合规范要求（北京市地质工程勘察院，2019）。

表4 各区点位中误差统计表Tab.4 statistical table of point mean square error in each area

2.3 导线测量技术

2.3.1 测量方法

闭合导线的优化作业方法在不增加外业工作量的前提下，无需增加设备投入，解决了常规作业方法及其改进方法存在的不足，在测量作业中能有效地发现测量粗差，根据测量平差和误差理论，可对全部观测数据进行整体平差，有效提供成果的精度和有效性（向继平，2012）。本项目对部分在井房内的和周围遮挡严重的自备井，需要在附近做2个GNSS点，结算出坐标的基础上，用导线测量的方法把井位精确坐标测定出来。

此次测量点位优先选取各监测井井位中心，如遇监测井在井房内，无法接收卫星信号时，可利用2 s全站仪采用双测站投点法将监测井井位中心投影到房顶，再进行GNSS测量（图2）。

图2 双测站投点法测量示意图Fig.2 The sketch map of the double-station survey point method

2.3.2 测量步骤

1）在监测井井房外，距离井房100 m远处，且与井口D点通视的位置选择测站点A，选择任意一点B，构建独立坐标系，C点为A点到井口D点，并通过D点的垂线方向上大致一点，CD的距离近似于AD；

2）在A点架设2 s全站仪，以B点定为0方向，测出A点到井口D点、C点的角度α、β及距离d1、d2，各取盘左、盘右两次读数平均值作为原始值，并计算出角DCA的角度γ及C点到D点的距离d3；

3）在A点以B点为0方向，以角度α和距离d1向井房屋顶放样，取盘左盘右两次放样点中心为点D’；

4）在C点架设仪器，以A点为后视方向，以角度γ和距离d3向井房屋顶放样，取盘左盘右两次放样点中心为点D″；

5）取D′和D″的中点为该监测井井位中心在屋顶的投影点。

如遇遮挡、植被覆盖等客观条件，监测井附近都无法接收到卫星信号时，将在监测井外围空旷地区，选取3个相互通视的临时点位，其后使用导线测量方法将监测井井位坐标测出。

2.3.3 技术要求

导线测量应满足CJJ/T 8—2011《城市测量规范》中二级导线测量的各项规定要求，其测量技术指标：控制网等级为二级，闭合环或附合导线长度为≤2.4 km，平均边长为200 m，每边测距中误差≤15 mm，测角中误差≤12″，全长相对闭合差为1/10000。

2.3.4 数据处理

使用平差表格进行井位坐标平差。分别将控制点坐标、各测站边长、角度观测数据输入软件，以GNSS控制点的平面坐标为已知坐标，平差解算出网中各精密导线点在城市坐标系下的平面坐标值。平差自动完成后，复核人员要对水平方向观测值、距离观测值、已知点坐标等平差资料的输入数据进行复核，并对平差软件列出的各项精度指标如方位角闭合差、最大点位误差、最大点间误差、最大边长比例误差等进行审核，确认各项输入数据正确无误、各项精度指标满足相关规范要求。

2.3.5 测量成果

导线测量记录采用电子记录，保证了数据的真实性、可靠性。采用的记录方法和各种观测限差均满足CJJ/T 8-2011《城市测量规范》要求。

2.4 高程测量技术

2.4.1 水准高程测量网形设计

三等水准网控制成果是城乡建设，水利设施建设和抗洪救灾的重要基础资料，是测绘基准体系的重要组成部分。特别是近年来，雷雨大风等异常天气频繁，对城市实施建设的精度要求越来越高，三四等水准越来越受到重视（王建军，2008）。针对本项目技术，井位高程测量以监测井附近北京市一、二等水准点为起算数据，通过四等水准观测，引测至井位处。水准路线采用闭合路线或者附合路线，后平差计算出每个井位的高程值。

2.4.2 技术要求

四等水准测量以监测井附近北京市一、二等水准点为起算数据。高程值测量主要技术要求如GB/T 12898—2009《国家三、四等水准测量规范》的规定：水准测量等级为四等，每千米高差中数中误差偶然中误差M△=±5 mm，全中误差Mw=±10 mm；测段路线往返测高差不符值为±20Kmm，测段路段左右路线高差不符值为±14Kmm；附合或环线闭合差平地为±20Lmm，山地为±25Lmm；检测已测测段高差的差为±30Rmm。

2.4.3 数据处理

采用清华山维NASEW平差软件对数据进行严密平差。根据统计各分段水准路线的闭合差情况，然后进行平差计算，根据统计各分段水准路线的闭合差情况，并计算最大高程中误差、最大高差中误差等精度指标。

本次顺义区水准高程测量水准网中闭合差最大为16.50 mm（线路长度L=20.77 km），小于限差±4Lmm，各分段线路闭合差统计见表5。

表5 水准分段线路闭合差统计表Tab.5 Statistics of line closure error of leveling section

2.4.4 测量成果

水准测量记录采用电子记录，保证了数据的真实性、可靠性。采用的记录方法和各种观测限差均依照GB/T 12898—2009《国家三、四等水准测量规范》等规范要求执行，作业过程中严格按照技术规定操作（表6）。

表6 各区水准分段线路闭合差统计表Tab.6 statistics of line closure error of leveling sections in each area

3 结论

1）坐标系统的选择是平面控制测量的重要问题，是测绘工作基础，决定了成果形式。

2）平面坐标测量采用卫星定位（GNSS）测量和导线测量相结合的方式，采用卫星定位（GNSS）测量测定其坐标，其后使用导线测量方法将监测井井位坐标测出。

3）导线测量技术采用闭合导线的方法，根据测量平差和误差理论，可对全部观测数据进行整体平差，有效提供成果的精度和有效性。对部分在井房内的和周围遮挡严重的自备井，需要在附近做2个GNSS点，结算出坐标的基础上，用导线测量的方法把井位精确坐标测定出来；如遇监测井在井房内，无法接收卫星信号时，可利用2 s全站仪采用双测站投点法将监测井井位中心投影到房顶，再进行GNSS测量。

（4）高程测量针对井位高程测量以监测井附近北京市一、二等水准点为起算数据，通过四等水准观测，引测至井位处。水准路线采用闭合路线或者附合路线，后平差计算出每个井位的高程值。