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GPS網(wǎng)與邊角網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理成果比較與分析論文
摘 要:本文以李家河水庫樞紐區(qū)平面施工控制網(wǎng)的建立與復(fù)測(cè)為例,敘述了平面施工控制測(cè)量建網(wǎng)采用邊角網(wǎng)、復(fù)測(cè)采用GPS網(wǎng)的不同觀測(cè)方案,通過實(shí)例對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析,得出有益的建議,對(duì)類似水電工程樞紐測(cè)量可作一定參考作用。
關(guān)鍵詞:樞紐施工控制 ,GPS與邊角網(wǎng) , 成果比較, 分析應(yīng)用
1.概況
西安市輞川河引水李家河水庫工程的主要任務(wù)是以西安市城東區(qū)城鎮(zhèn)供水為主,兼有發(fā)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(dǎo)流洞、引水發(fā)電洞及電站廠區(qū)等組成。大壩壩型為碾壓混凝土拱壩,最大壩高98.50m;導(dǎo)流洞布置于左岸,導(dǎo)流洞長361.5m;引水發(fā)電洞布置于左岸,為下游供水和發(fā)電引水共用,洞身長957m,發(fā)電洞出口銜接電站廠區(qū)。 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(qū)施工控制網(wǎng)為2009年3月采用TCA2003按邊角網(wǎng)觀測(cè)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(cè)方案進(jìn)行了復(fù)測(cè)。
2.施工控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)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(shí)保持與前期設(shè)計(jì)圖基準(zhǔn)的聯(lián)系和統(tǒng)一,坐標(biāo)系統(tǒng)采用掛靠在1954年北京坐標(biāo)系統(tǒng)下的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng),樞紐區(qū)平面控制將邊長投影到840m高程面。
3.邊角網(wǎng)的建立
3.1平面控制布網(wǎng)選點(diǎn)
根據(jù)樞紐區(qū)工程施工總體平面布置圖,結(jié)合實(shí)地地形先在1:2000圖面上設(shè)計(jì),然后到施工現(xiàn)場(chǎng)按照施工區(qū)域的情況,會(huì)同設(shè)計(jì)、地質(zhì)人員現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地選點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)的比選,選定如右圖示的網(wǎng)形作為施工基本平面控制網(wǎng)。
首級(jí)網(wǎng)點(diǎn)編號(hào)為:Ⅲ01~Ⅲ10。其中Ⅲ01、Ⅲ02、Ⅲ05、Ⅲ06主要用于壩體施工測(cè)量;Ⅲ03、Ⅲ04、Ⅲ10主要用于導(dǎo)流洞和發(fā)電洞進(jìn)口施工測(cè)量;Ⅲ06、Ⅲ07用于導(dǎo)流洞出口施工測(cè)量; Ⅲ07、Ⅲ08、Ⅲ09主要用于引水發(fā)電洞出口及電站廠區(qū)施工測(cè)量。
平面控制網(wǎng)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(guī)范規(guī)定兩點(diǎn)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(wǎng)中起始點(diǎn)Ⅲ01,起始方向Ⅲ01-Ⅲ05,取測(cè)角中誤差±1.8″,測(cè)距中誤差1mm+1ppm· D(D 取350m)。在1:2000地形圖上選設(shè)網(wǎng)形,確定點(diǎn)位并量取各待定平面控制點(diǎn)的概略坐標(biāo),采用《工程測(cè)量控制網(wǎng)微機(jī)平差系統(tǒng) NASEW》軟件進(jìn)行模擬計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)。精度估算結(jié)果:最大點(diǎn)位中誤差±2.18 mm,最大點(diǎn)間中誤差±1.85 mm ,最大邊長比例誤差1/301200;內(nèi)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(nèi)外可靠性一般。由于點(diǎn)位調(diào)整困難,因此,外業(yè)觀測(cè)時(shí)提高儀器等級(jí),增加水平角測(cè)回?cái)?shù),以保證精度。
3.3邊角網(wǎng)測(cè)量
(1)觀測(cè)。采用Leica TC2003全站儀,按邊角組合網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)。作業(yè)前將儀器工具送計(jì)量部門進(jìn)行了檢定。水平角觀測(cè)采用方向觀測(cè)法。水平角觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)9個(gè),垂直角往返各四個(gè)測(cè)回,邊長往返測(cè)距各兩個(gè)測(cè)回,儀器鏡站兩端同時(shí)進(jìn)行氣象要素測(cè)定。測(cè)距讀數(shù)取中數(shù),經(jīng)儀器加乘常數(shù)、氣象數(shù)據(jù)改正之后計(jì)算斜距、往(或返)測(cè)觀測(cè)高差。
。2)外業(yè)觀測(cè)成果驗(yàn)算及數(shù)據(jù)處理。利用斜距、往返測(cè)高差中數(shù)及相應(yīng)的儀器高、棱鏡高分別計(jì)算往(或返)測(cè)水平距離,往返測(cè)水平距離≤2(1mm+1ppm·D),符合規(guī)范要求之后將往返水平距離取中數(shù),作為實(shí)測(cè)水平距離。外業(yè)觀測(cè)成果驗(yàn)算如下表1。
。3)數(shù)據(jù)處理。外業(yè)驗(yàn)算均符合規(guī)范要求后,采用《工程測(cè)量控制網(wǎng)微機(jī)平差系統(tǒng) NASEW》軟件,以Ⅲ01為坐標(biāo)起算點(diǎn)(Ⅲ01~Ⅲ05為起算方位),按邊角網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
4.復(fù)測(cè)方案及數(shù)據(jù)處理
4.1復(fù)測(cè)方案
采用我院新購置的4臺(tái)Trimble GPS-R8按三等GPS及邊角組合網(wǎng)方案進(jìn)行觀測(cè);觀測(cè)網(wǎng)見圖二所示。
4.2 GPS觀測(cè)
GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集采用了4臺(tái)天寶 R8雙頻GPS 接收機(jī),儀器精度滿足要求,各項(xiàng)性能檢定合格。外業(yè)觀測(cè)采用靜態(tài)測(cè)量方式sh雙時(shí)段觀測(cè),全部采用邊聯(lián)接的方式構(gòu)網(wǎng),滿足衛(wèi)星的高度角不低于15度、觀測(cè)時(shí)有效衛(wèi)星的數(shù)量不少于5顆、每一時(shí)段的觀測(cè)時(shí)間不少于90分鐘和PDOP 值不大于6 等外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求。
4.3 邊角網(wǎng)觀測(cè)
使用Leica TCA2003全站儀按三等精度觀測(cè)。水平角采用方向法觀測(cè)6測(cè)回,天頂距觀測(cè)采用中絲法對(duì)向觀測(cè)各4測(cè)回,斜距觀測(cè)往返各2測(cè)回。測(cè)站、鏡站觀測(cè)前后各測(cè)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(jì)算時(shí)加入氣象、加常數(shù)、乘常數(shù)改正。
4.4 GPS數(shù)據(jù)處理
4.4.1 GPS網(wǎng)基線向量解算采用Trimble Geomatics office軟件;平差采用GPS工程測(cè)量網(wǎng)通用平差軟件包(Cosa GPS V5.20)。
4.4.2基線及同步環(huán)、異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差等外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量的檢核。樞紐區(qū)GPS控制網(wǎng)由41條基線組成,其中重復(fù)觀測(cè)基線17條;隧洞GPS網(wǎng)由52條基線組成,其中重復(fù)觀測(cè)基線22條。GPS網(wǎng)同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差、重復(fù)邊較差的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。
從以上的三項(xiàng)檢核可知,本次觀測(cè)的所有基線均滿足三等GPS網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)的精度要求。
4.4.3 GPS網(wǎng)平差與精度分析。在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下對(duì)樞紐區(qū)控制網(wǎng)進(jìn)行三維無約束平差,平差后各網(wǎng)點(diǎn)的縱、橫向中誤差均較小,表明測(cè)量數(shù)據(jù)無粗差。由于多余觀測(cè)量較多,計(jì)算出的三維基線向量內(nèi)部可靠性均值分別達(dá)0.8和0.85,表明GPS 控制網(wǎng)具有較好的內(nèi)部符合精度。
二維網(wǎng)約束平差采用了一點(diǎn)一方位的工程獨(dú)立網(wǎng)形式,并且以一條地面實(shí)測(cè)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(wǎng)成果更好的滿足施工精度要求。
從GPS網(wǎng)中的點(diǎn)位精度看,各點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差均較小。除個(gè)別短邊外,全網(wǎng)各邊的方位角中誤差大部分小于±1.5""。邊長的距離相對(duì)中誤差大部分小于1/20萬,優(yōu)于規(guī)定的1/15萬。
4.5 邊角網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)成果驗(yàn)算及數(shù)據(jù)處理
邊角網(wǎng)共觀測(cè)了3個(gè)三角形,最大三角形閉合差-1.6″,允許±7″;以GPS獨(dú)立網(wǎng)Ⅲ01、Ⅲ06為坐標(biāo)起算點(diǎn)按邊角網(wǎng)進(jìn)行平差。平差后最大點(diǎn)位中誤差±2.9mm,允許±10mm;最大點(diǎn)間誤差2.90mm,允許±10mm。邊長相對(duì)中誤差除一條短邊外,均優(yōu)于1/15萬。
5.GPS與邊角網(wǎng)成果對(duì)比分析
5.1 GPS與邊角網(wǎng)數(shù)據(jù)處理后的坐標(biāo)成果對(duì)比分析。根據(jù)2009年邊角網(wǎng)及2011年GPS網(wǎng)復(fù)測(cè)坐標(biāo),計(jì)算二者較差如下表5。
GPS與邊角網(wǎng)數(shù)據(jù)處理后的坐標(biāo)成果對(duì)比計(jì)算統(tǒng)計(jì)表 表5
5.2 控制點(diǎn)的穩(wěn)定性分析。根據(jù)兩期數(shù)據(jù)處理后的點(diǎn)位中誤差m1、m2來評(píng)定控制點(diǎn)的穩(wěn)定性,控制點(diǎn)坐標(biāo)的較差值△S小于2m△=2時(shí),認(rèn)為該點(diǎn)為穩(wěn)定點(diǎn),否則為不穩(wěn)定點(diǎn)。
由上表可以看出,Ⅲ07、Ⅲ08點(diǎn)不穩(wěn)定、明顯發(fā)生位移;經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘這兩點(diǎn)周邊施工過程中近距離開挖,通過數(shù)據(jù)對(duì)比及現(xiàn)場(chǎng)受施工大開挖影響而引起位移的分析是相一致的。
6.結(jié)論與建議
(1)該項(xiàng)目施工控制網(wǎng)復(fù)測(cè)采用GPS觀測(cè)方案,通過與首期觀測(cè)采用邊角網(wǎng)的結(jié)果分析及驗(yàn)證,在峽谷地域的水利水電樞紐工程施工平面控制網(wǎng)采用GPS觀測(cè)方案,可以滿足三等控制測(cè)量的精度。
。2)水利水電樞紐工程施工控制網(wǎng)在基礎(chǔ)、邊坡開挖等施工因素影響后,可能引起部分點(diǎn)位位移,因此,施工過程中及時(shí)復(fù)測(cè)控制網(wǎng)是十分必要的。
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