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GPS網與邊角網的數據處理成果比較與分析論文
摘 要：本文以李家河水庫樞紐區平面施工控制網的建立與復測為例，敘述了平面施工控制測量建網采用邊角網、復測采用GPS網的不同觀測方案，通過實例對比統計分析，得出有益的建議，對類似水電工程樞紐測量可作一定參考作用。
關鍵詞：樞紐施工控制 ，GPS與邊角網 ， 成果比較， 分析應用
1.概況
西安市輞川河引水李家河水庫工程的主要任務是以西安市城東區城鎮供水為主，兼有發電。該工程由水庫樞紐和輸水工程兩大部分組成，水庫樞紐主要由大壩、施工導流洞、引水發電洞及電站廠區等組成。大壩壩型為碾壓混凝土拱壩，最大壩高98.50m；導流洞布置于左岸，導流洞長361.5m；引水發電洞布置于左岸，為下游供水和發電引水共用，洞身長957m，發電洞出口銜接電站廠區。 壩址處河谷深切呈“V”字型，河道狹窄，河床寬度僅15～30m；兩岸山坡陡峻，荊棘叢生、植被茂密、通行及通視條件較差。
該工程樞紐區施工控制網為2009年3月采用TCA2003按邊角網觀測方案建立，壩基開挖削坡到位之后，又于2011年7月采用Trimble GPS-R8按GPS觀測方案進行了復測。
2.施工控制網坐標系統和投影面的確定
大壩頂高程884.00m，最大壩高98.50m。為了解決投影變形和施工方便，同時保持與前期設計圖基準的聯系和統一，坐標系統采用掛靠在1954年北京坐標系統下的獨立坐標系統，樞紐區平面控制將邊長投影到840m高程面。
3.邊角網的建立
3.1平面控制布網選點
根據樞紐區工程施工總體平面布置圖，結合實地地形先在1：2000圖面上設計，然后到施工現場按照施工區域的情況，會同設計、地質人員現場實地選點。經現場反復的比選，選定如右圖示的網形作為施工基本平面控制網。
首級網點編號為：Ⅲ01～Ⅲ10。其中Ⅲ01、Ⅲ02、Ⅲ05、Ⅲ06主要用于壩體施工測量；Ⅲ03、Ⅲ04、Ⅲ10主要用于導流洞和發電洞進口施工測量；Ⅲ06、Ⅲ07用于導流洞出口施工測量； Ⅲ07、Ⅲ08、Ⅲ09主要用于引水發電洞出口及電站廠區施工測量。
平面控制網中共有20條邊，最大邊長639.05m，最短邊長164.07m，平均邊長356.16m。雖然規范規定兩點間高度角不宜大于10°，大于10°的占到46.2%，且最大為25°51′35″。
3.2精度估算
網中起始點Ⅲ01，起始方向Ⅲ01－Ⅲ05，取測角中誤差±1.8″，測距中誤差1mm+1ppm· D（D 取350m）。在1：2000地形圖上選設網形，確定點位并量取各待定平面控制點的概略坐標，采用《工程測量控制網微機平差系統 NASEW》軟件進行模擬計算和優化設計。精度估算結果：最大點位中誤差±2.18 mm，最大點間中誤差±1.85 mm ，最大邊長比例誤差1/301200；內可靠性R最大值6.2，外可靠性R′最大值4.63，可靠性分析說明， 內外可靠性一般。由于點位調整困難，因此，外業觀測時提高儀器等級，增加水平角測回數，以保證精度。
3.3邊角網測量
(1)觀測。采用Leica TC2003全站儀，按邊角組合網進行觀測。作業前將儀器工具送計量部門進行了檢定。水平角觀測采用方向觀測法。水平角觀測測回數9個，垂直角往返各四個測回，邊長往返測距各兩個測回，儀器鏡站兩端同時進行氣象要素測定。測距讀數取中數，經儀器加乘常數、氣象數據改正之后計算斜距、往（或返）測觀測高差。
（2）外業觀測成果驗算及數據處理。利用斜距、往返測高差中數及相應的儀器高、棱鏡高分別計算往（或返）測水平距離，往返測水平距離≤2（1mm+1ppm·D），符合規范要求之后將往返水平距離取中數，作為實測水平距離。外業觀測成果驗算如下表1。
（3）數據處理。外業驗算均符合規范要求后，采用《工程測量控制網微機平差系統 NASEW》軟件，以Ⅲ01為坐標起算點（Ⅲ01～Ⅲ05為起算方位），按邊角網進行數據處理。
4.復測方案及數據處理
4.1復測方案
采用我院新購置的4臺Trimble GPS-R8按三等GPS及邊角組合網方案進行觀測；觀測網見圖二所示。
4.2 GPS觀測
GPS控制網數據采集采用了4臺天寶 R8雙頻GPS 接收機，儀器精度滿足要求，各項性能檢定合格。外業觀測采用靜態測量方式sh雙時段觀測，全部采用邊聯接的方式構網，滿足衛星的高度角不低于15度、觀測時有效衛星的數量不少于5顆、每一時段的觀測時間不少于90分鐘和PDOP 值不大于6 等外業觀測技術要求。
4.3 邊角網觀測
使用Leica TCA2003全站儀按三等精度觀測。水平角采用方向法觀測6測回，天頂距觀測采用中絲法對向觀測各4測回，斜距觀測往返各2測回。測站、鏡站觀測前后各測量一次氣溫、氣壓，最小讀值分別至0.2℃、50Pa，并取中值。斜改平計算時加入氣象、加常數、乘常數改正。
4.4 GPS數據處理
4.4.1 GPS網基線向量解算采用Trimble Geomatics office軟件；平差采用GPS工程測量網通用平差軟件包（Cosa GPS V5.20）。
4.4.2基線及同步環、異步環各坐標分量閉合差等外業觀測質量的檢核。樞紐區GPS控制網由41條基線組成，其中重復觀測基線17條；隧洞GPS網由52條基線組成，其中重復觀測基線22條。GPS網同步環閉合差、異步環閉合差、重復邊較差的檢驗統計。
從以上的三項檢核可知，本次觀測的所有基線均滿足三等GPS網外業觀測的精度要求。
4.4.3 GPS網平差與精度分析。在WGS-84坐標系統下對樞紐區控制網進行三維無約束平差，平差后各網點的縱、橫向中誤差均較小，表明測量數據無粗差。由于多余觀測量較多，計算出的三維基線向量內部可靠性均值分別達0.8和0.85，表明GPS 控制網具有較好的內部符合精度。
二維網約束平差采用了一點一方位的工程獨立網形式，并且以一條地面實測邊（投影至840米高程面）作為尺度約束，減小了由于投影而引起的誤差，使控制網成果更好的滿足施工精度要求。
從GPS網中的點位精度看，各點的點位中誤差均較小。除個別短邊外，全網各邊的方位角中誤差大部分小于±1.5""。邊長的距離相對中誤差大部分小于1/20萬，優于規定的1/15萬。
4.5 邊角網外業觀測成果驗算及數據處理
邊角網共觀測了3個三角形，最大三角形閉合差-1.6″，允許±7″；以GPS獨立網Ⅲ01、Ⅲ06為坐標起算點按邊角網進行平差。平差后最大點位中誤差±2.9mm，允許±10mm；最大點間誤差2.90mm，允許±10mm。邊長相對中誤差除一條短邊外，均優于1/15萬。
5.GPS與邊角網成果對比分析
5.1 GPS與邊角網數據處理后的坐標成果對比分析。根據2009年邊角網及2011年GPS網復測坐標，計算二者較差如下表5。
GPS與邊角網數據處理后的坐標成果對比計算統計表 表5
5.2 控制點的穩定性分析。根據兩期數據處理后的點位中誤差m1、m2來評定控制點的穩定性，控制點坐標的較差值△S小于2m△=2時，認為該點為穩定點，否則為不穩定點。
由上表可以看出，Ⅲ07、Ⅲ08點不穩定、明顯發生位移；經現場查勘這兩點周邊施工過程中近距離開挖，通過數據對比及現場受施工大開挖影響而引起位移的分析是相一致的。
6.結論與建議
（1）該項目施工控制網復測采用GPS觀測方案，通過與首期觀測采用邊角網的結果分析及驗證，在峽谷地域的水利水電樞紐工程施工平面控制網采用GPS觀測方案，可以滿足三等控制測量的精度。
（2）水利水電樞紐工程施工控制網在基礎、邊坡開挖等施工因素影響后，可能引起部分點位位移，因此，施工過程中及時復測控制網是十分必要的。
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