GPS控制网及坐标转换方法在水库流域控制中的应用

2016-12-27董永刚

东北水利水电 2016年12期

关键词：河水库水准高程

董永刚

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006）

GPS控制网及坐标转换方法在水库流域控制中的应用

董永刚

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006）

文中资详细探讨了GPS控制测量、高程控制测量的一般技术要求，从测量精度、可靠性、经济性等方面选择最优设计方案来进行控制测量的布设。并结合辽宁省汤河水库控制网测量工程，确定了最优的测量方案，分析了其控制测量的平面控制网布置型式和高程控制网布置型式，为同类测量工程提供有益借鉴。

GPS控制网；平面控制测量；高程控制测量；坐标转换

1 概况

控制测量是指在待测区内，根据测量目的不同采用不同要求的精度，测定待测区域内一系列控制点的平面位置和高程，从而建立测量控制网，是各项测量工作的依据。水库流域基本控制测量需根据区域规模、原有国家大地控制网的情况、区域规划需要等合理确定控制网的等级。其基本控制的布设应在国家大地控制网的基础上进行布设，应统一设计、分级布设、整体实施，按精度、可靠性、经济性等选择最优设计方案。控制测量分为平面控制网和高程控制网。

不同坐标系之间坐标转换主要是根据同时拥有种坐标系坐标的大地点的情况，选择适当的重合点，利用所选重合点的种坐标系的坐标，采用适当的坐标转换模型计算两坐标系之间的坐标转换参烽，实现坐标转换。

2 平面控制测量

常规的平面控制网的方法为三角测量法、导线测量法、三边测量法以及边角同测法。GPS测量以其观测简便、精度高、速度快、费用省、全天候等优点现已广泛应用于我国大地测量领域。

GPS平面控制网分为A，B，C，D，E等5级。

A级GPS网由卫星定位连续运行基准站构成，用于建立国家一等大地控制网，进行全球性的地球运力学研究、地壳形变测量和卫星精密定轨测量；B级GPS测量主要用于建立国家二等大地控制网，建立地方和城市坐标基准框架、区域性的地球动力学研究、地壳形变测量和各种精密工程测量等；C级GPS测量有于建立三等大地控制网，以及区域、城市及工程测量的基本控制网等；D级GPS测量用于建立四等大地控制网；E级GPS测量用于测图、施工等控制测量。各等级边长和精度见表1。

表1 GPS各级别精度指标

3 高程控制测量

测定控制点高程的工作称为高程控制测量，高程控制网现多用水准测量方法建立，按精度分为一、二、三、四等水准测量。一等水准测量是国家高程控制的骨干，同时也是研究地壳和地面垂直移动及有关科学研究的主要依据。二等水准路线是国家高程的全面基础，在一等水准布设。三四等水准网是在一、二等水准网的基础上进一步加密，根据需要在高等级水准网内布设成附合路线、环线或结点网，直接提供地形测图和各种工程建设的高程控制点。

单独的三等附合路线，长度不超过150 km；环线周长应不超过200 km；单独的四等附合路线，长度应不超过80 km；环线周长应不超过100 km；山地等特殊困难地区可适当放宽，但不宜大于上述各指标的1.5倍。

各等级每千米水准测量的偶然中误差M△和每千米水准测量的全中误差MW不得超过表2的数值。

表2 各等级每千米水准测量的偶然中误差和全中误差mm

4 工程案例

4.1 工程概况

辽宁省汤河水库是建筑在太子河的主要支流之一的汤河主段上，东汤河与西汤河交汇为汤河，处于群山围绕之地，是辽阳无污染的水库之一。汤河为外辽河之太子河的一大支流，该河由上游东、西两支河流汇成。西支发源于吉洞峪乡寒家岭；东支又分为东西两股，东股发源于河栏镇样子岭山，西股发源于辽阳县塔子岭乡熊洞沟和吉洞峪乡宋家岭山下。东西两支于坝址前龙山脚下汇合，形成汤河干流，流经小屯镇西双村注入太子河。流径全程50.9 km。为满足汤河水库社会经济调查等任务的需要，现对其进行控制网测量。

4.2 控制测量设计

4.2.1 现有资料

1）测区国家1∶5万地形图。

2）收集到浑河、太子河、大辽河C级GPS网测量成果，平面控制测量拟采用该控制网中的娄山（LS）、TH3和HJ4作为起算点。该网的数据成果包括1954年北京坐标系、1980西安坐标系、WGS84坐标系、2000国家大地坐标系。

3）收集到国家水准点I辽本6、I辽本10在测区的上游，距测区最近距离约30 km。拟作为高程起算点。高程系统采用1985国家高程基准。

4.2.2 控制网的精度选定

为汤河水库社会经济调查可能采用的最大测图比例尺为1∶500，平面控制网的精度要满足比例尺测图的要求，平面控制网最弱点的点位中误差不得超过图上±0.1 mm，即实地±5 cm，这一数值可作为平面控制网精度设计的依据。高程控制网最弱点的高程中误差不得大于1/10等高距，等高距按0.5 m计算，即50 mm，这一数值可作为高程控制网的精度设计依据。

D级和E级GPS网相邻点基线分量中误差均为20 mm，相邻点间平均距离分别为5 km和3 km，精度均满足要求，通过经济性等比较，选定D级作为项目的平面控制网精度等级。

高程控制受附合导线距离的限制，选定为三等。

4.3 GPS平面控制网设计

平面控制测量共布设6个点，如图1所示，控制点分别为点LS、点TH3、点HJ4和点TT1到点TT6。共分两组进行静态观测，每一组为LS、TH3、辽本6、辽本11、TT1、TT5，第二组为TT1，TT5，TT2，TT3，TT4，HJ4。TT1～TT5作为重复边，两组以边连接组成控制网。

图1 汤河水库GPS控制网图

高程控制测量Ⅲ等水准约100 km，布设型式如图2所示。

4.3.1 GPS网观测时的基本要求

1）最少观测卫星数4颗；

2）采样间隔30 s；

3）观测模式：静态观测；

4）观测卫星截止高度角：10°；

5）坐标和时间系统：WGS-84，UTC；

图2 汤河水库水准线路图

6）观测时段及时长：时段数大于等于1.6个时段，每个时段长度大于等于1 h；

7）观测设备：双频大地型GPS接收机；

8）观测方案：采用同步环边连接GPS静态相对定位观测模式，6台仪器进行观测。

4.3.2 数据质量检查及网平差

观测结束后，采用专业软件进行数据质量检查，检查的内容包括：

1）观测卫星总数；

2）数据可利用率不小于80%；

3）L1、L2频率的多路径效应影响MP1，MP2小于0.5 m。

4）GPS接收机钏的日频稳定性不低于10-8。

经基线向量提取、三维无约束平差、约束平差后进行质量分析，精度符合规范要求。并计算出1980西安坐标系、WGS84坐标系、2000国家大地坐标系共3套坐标。

4.4 高程控制设计

布设1条三等水准附合路线，以国家水准点I等辽本6、I等辽本10作为起算点，联测所有埋石点，路线总长约100 km，经平差计算，达到限差要求，过程在此不多述。具体水准线路，见图2。

5 三维七参数转换

由于水库流域社会经济调查范围广、分散，多采用RTK进行外业数据的采集，而RTK采集的高程为大地高H，我国采用的高程系统为正常高系统h（1985黄海高程系统），两系统间存在高程异常（ξ=H-h）。为了满足后期测绘工作的需要，对测区进行了三维七参数的求定工作，将RTK的实测高程转化为正常高系统，为外业实地数据采集创造有利条件。

目前使用最广的三维七参数转换模型为布尔沙(Bursa)模型，该模型为三维模型，在空间直角坐标中，两坐标系之间存在严密的转换模型，不存在模型误差和投影变形误差，适合于任何区域的坐标转换。坐标转换的步骤：

1）收集、整理转换区域内重合点成果（三维坐标）；

2）分析、选取用于计算坐标转换参数的重合点；

3）确定坐标转换参数的计算方法与坐标转换模型；

4）两坐标系下重合点坐标形式的转换；

5）根据确定的转换方法与转换模型计算坐标转换参数。