GPS网与边角网的数据处理成果比较与分析

摘　要：本文以李家河水库枢纽区平面施工控制网的建立与复测为例，叙述了平面施工控制测量建网采用边角网、复测采用GPS网的不同观测方案，通过实例对比统计分析，得出有益的建议，对类似水电工程枢纽测量可作一定参考作用。

关键词：枢纽施工控制 ，GPS与边角网 ， 成果比较， 分析应用
1.概况
　　西安市辋川河引水李家河水库工程的主要任务是以西安市城东区城镇供水为主，兼有发电。该工程由水库枢纽和输水工程两大部分组成，水库枢纽主要由大坝、施工导流洞、引水发电洞及电站厂区等组成。大坝坝型为碾压混凝土拱坝，最大坝高98.50m；导流洞布置于左岸，导流洞长361.5m；引水发电洞布置于左岸，为下游供水和发电引水共用，洞身长957m，发电洞出口衔接电站厂区。 坝址处河谷深切呈“V”字型，河道狭窄，河床宽度仅15～30m；两岸山坡陡峻，荆棘丛生、植被茂密、通行及通视条件较差。
　　该工程枢纽区施工控制网为2009年3月采用TCA2003按边角网观测方案建立，坝基开挖削坡到位之后，又于2011年7月采用Trimble GPS-R8按GPS观测方案进行了复测。
　　2.施工控制网坐标系统和投影面的确定
　　大坝顶高程884.00m，最大坝高98.50m。为了解决投影变形和施工方便，同时保持与前期设计图基准的联系和统一，坐标系统采用挂靠在1954年北京坐标系统下的独立坐标系统，枢纽区平面控制将边长投影到840m高程面。
3.边角网的建立
3.1平面控制布网选点
　　根据枢纽区工程施工总体平面布置图，结合实地地形先在1：2000图面上设计，然后到施工现场按照施工区域的情况，会同设计、地质人员现场实地选点。经现场反复的比选，选定如右图示的网形作为施工基本平面控制网。
　　首级网点编号为：Ⅲ01～Ⅲ10。其中Ⅲ01、Ⅲ02、Ⅲ05、Ⅲ06主要用于坝体施工测量；Ⅲ03、Ⅲ04、Ⅲ10主要用于导流洞和发电洞进口施工测量；Ⅲ06、Ⅲ07用于导流洞出口施工测量； Ⅲ07、Ⅲ08、Ⅲ09主要用于引水发电洞出口及电站厂区施工测量。
　　平面控制网中共有20条边，最大边长639.05m，最短边长164.07m，平均边长356.16m。虽然规范规定两点间高度角不宜大于10°，大于10°的占到46.2%，且最大为25°51′35″。
3.2精度估算
　　网中起始点Ⅲ01，起始方向Ⅲ01－Ⅲ05，取测角中误差±1.8″，测距中误差1mm+1ppm· D（D 取350m）。在1：2000地形图上选设网形，确定点位并量取各待定平面控制点的概略坐标，采用《工程测量控制网微机平差系统 NASEW》软件进行模拟计算和优化设计。精度估算结果：最大点位中误差±2.18 mm，最大点间中误差±1.85 mm ，最大边长比例误差1/301200；内可靠性R最大值6.2，外可靠性R′最大值4.63，可靠性分析说明， 内外可靠性一般。由于点位调整困难，因此，外业观测时提高仪器等级，增加水平角测回数，以保证精度。
3.3边角网测量
　　(1)观测。采用Leica TC2003全站仪，按边角组合网进行观测。作业前将仪器工具送计量部门进行了检定。水平角观测采用方向观测法。水平角观测测回数9个，垂直角往返各四个测回，边长往返测距各两个测回，仪器镜站两端同时进行气象要素测定。测距读数取中数，经仪器加乘常数、气象数据改正之后计算斜距、往（或返）测观测高差。
　　（2）外业观测成果验算及数据处理。利用斜距、往返测高差中数及相应的仪器高、棱镜高分别计算往（或返）测水平距离，往返测水平距离≤2（1mm+1ppm·D），符合规范要求之后将往返水平距离取中数，作为实测水平距离。外业观测成果验算如下表1。 
                        外业观测成果验算统计表                        表1

　　（3）数据处理。外业验算均符合规范要求后，采用《工程测量控制网微机平差系统 NASEW》软件，以Ⅲ01为坐标起算点（Ⅲ01～Ⅲ05为起算方位），按边角网进行数据处理，平差后主要精度指标如下表2。 
                      平面网数据处理主要精度指标统计表                    表2

4.复测方案及数据处理
4.1复测方案
　　采用我院新购置的4台Trimble GPS-R8按三等GPS及边角组合网方案进行观测；观测网见图二所示。
4.2 GPS观测
　　GPS控制网数据采集采用了4台天宝 R8双频GPS 接收机，仪器精度满足要求，各项性能检定合格。外业观测采用静态测量方式sh双时段观测，全部采用边联接的方式构网，满足卫星的高度角不低于15度、观测时有效卫星的数量不少于5颗、每一时段的观测时间不少于90分钟和PDOP 值不大于6 等外业观测技术要求。
4.3 边角网观测
　　使用Leica TCA2003全站仪按三等精度观测。水平角采用方向法观测6测回，天顶距观测采用中丝法对向观测各4测回，斜距观测往返各2测回。测站、镜站观测前后各测量一次气温、气压，最小读值分别至0.2℃、50Pa，并取中值。斜改平计算时加入气象、加常数、乘常数改正。
4.4  GPS数据处理
4.4.1 GPS网基线向量解算采用Trimble Geomatics office软件；平差采用GPS工程测量网通用平差软件包（Cosa GPS V5.20）。
4.4.2基线及同步环、异步环各坐标分量闭合差等外业观测质量的检核。枢纽区GPS控制网由41条基线组成，其中重复观测基线17条；隧洞GPS网由52条基线组成，其中重复观测基线22条。GPS网同步环闭合差、异步环闭合差、重复边较差的检验统计如表3所示。
　　　　　　　　基线向量精度统计分析                                  表3

　　从以上的三项检核可知，本次观测的所有基线均满足三等GPS网外业观测的精度要求。
4.4.3 GPS网平差与精度分析。在WGS-84坐标系统下对枢纽区控制网进行三维无约束平差，平差后各网点的纵、横向中误差均较小，表明测量数据无粗差。由于多余观测量较多，计算出的三维基线向量内部可靠性均值分别达0.8和0.85，表明GPS 控制网具有较好的内部符合精度。
　　二维网约束平差采用了一点一方位的工程独立网形式，并且以一条地面实测边（投影至840米高程面）作为尺度约束，减小了由于投影而引起的误差，使控制网成果更好的满足施工精度要求。工程独立网平差后的精度统计分析见表4。
                          独立网平差精度统计                            表4

　　从GPS网中的点位精度看，各点的点位中误差均较小。除个别短边外，全网各边的方位角中误差大部分小于±1.5""。边长的距离相对中误差大部分小于1/20万，优于规定的1/15万。
4.5 边角网外业观测成果验算及数据处理
　　边角网共观测了3个三角形，最大三角形 闭合差-1.6″，允许±7″；以GPS独立网Ⅲ01、Ⅲ06为坐标起算点按边角网进行平差。平差后最大点位中误差±2.9mm，允许±10mm；最大点间误差2.90mm，允许±10mm。边长相对中误差除一条短边外，均优于1/15万。
与边角网成果对比分析
5.1 GPS与边角网数据处理后的坐标成果对比分析。根据2009年边角网及2011年GPS网复测坐标，计算二者较差如下表5。
　　      GPS与边角网数据处理后的坐标成果对比计算统计表                  表5

5.2 控制点的稳定性分析。根据两期数据处理后的点位中误差m1、m2来评定控制点的稳定性，控制点坐标的较差值△S小于2m△=2时，认为该点为稳定点，否则为不稳定点，如表6。
　　由上表可以看出，Ⅲ07、Ⅲ08点不稳定、明显发生位移；经现场查勘这两点周边施工过程中近距离开挖，通过数据对比及现场受施工大开挖影响而引起位移的分析是相一致的。
6.结论与建议
　　（1）该项目施工控制网复测采用GPS观测方案，通过与首期观测采用边角网的结果分析及验证，在峡谷地域的水利水电枢纽工程施工平面控制网采用GPS观测方案，可以满足三等控制测量的精度。
　　（2）水利水电枢纽工程施工控制网在基础、边坡开挖等施工因素影响后，可能引起部分点位位移，因此，施工过程中及时复测控制网是十分必要的。