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摘 要: 以某供热管线工程为例, 对测绘技术的应用方法及优越性方面做了详细的介绍及阐述。本文通过此次测绘的实践和体会, 总结新的测绘技术在城市工程测绘中的应用方法。
关键词: 测绘技术； GPS； 控制测量； 应用
1 概述
某供热工程是为改善城市环境, 实现发电供热联合生产而铺设的地下管线工程。根据管线施工中对测绘作业的需求, 应建立施工测绘的控制基础, 施测 1∶500 地形带状图, 轴线放样及管线竣工测绘工作, 在作业时依据《 城市测量规范》。 针对以上测绘工作, 结合生产设备, 我们决定平面控制测量采用全球定位系统 ( GPS ) 测量, 高程控制测量采用四等水准测量、结合 GPS测量拟合测区似大地水准面, 经正常高程约束平差确定控制点的高程, 1∶500 地形带状图、 管线竣工测绘采用全野外数字化测绘完成; 轴线放样以管线轴线设计坐标, 控制点上自由设站的方法进行。
2 GPS 控制测量
2.1 GPS控制网布设
施工控制点平面坐标要求采用该市平面直角坐标系, 该坐标系是以该市城建委二等三角点 ( 肥村) 为坐标 “ 原点” 的任意平面直角坐标系统。平面控制测量采用 GPS定位技术, 联测 3个旧四等以上三角点, 联测的方法是 3 个起算点纳入到整个 ( 82个控制点构成) GPS控制网中, 参与整体控制网观测。 GPS網采用附合导线形式构成, 是根据现场选点埋设标志时绘制的草图为基础设计而成, 并按 《 全球定位系统城市测量技术规程》 中一级城市 GPS网的精度要求作业。GPS数据采集使用 3 台套 Trimble 4600LS GPS接收机按拟定好的作业计划同步观测, 即同步观测时间视边长长度而定, 最少同步观测时间 30min, 在对空通视条件最好的情况下, 可同时接收到 5 颗以上卫星的信号,且选择在卫星间的图形强度良好的时间段作业, 可以削弱城市GPS测量对空通视条件差而产生的影响。 基线解算和网平差均使用随机软件 GPSurwey 2.35 在微机上进行, 经基线检核, 符合《 GPS城市测量技术规程》 要求, GPS网三维无约束平差说明网内部符合精度较高, 基线解所确定的协方差阵的相互比例关系合理, 无约束平差确定的网基准可靠。
2.2 GPS 网约束平差
GPS网约束平差, 应采用联测起算点的平面坐标作为约束条件, 归算到大同市坐标系中。但由于该城市坐标系的参考椭球,中央子午线位置的不确定性, 直接利用已知点平面坐标对 GPS网约束平差是不可实现的。根据在大同市以往国家三等三角点和大同市控制点联测资料, 确立以中央子午线 117°30′, 投影于克氏参考椭球面上的高斯正形投影平面直角坐标和大同市坐标之间的相互转换关系, 将起算点大同市坐标转换为高斯平面坐标, 采用约束平差法对起算点的可靠性检验, 选择匹配最佳的起算点固定, 对 GPS网约束平差, 并作为最终成果。约束平差后的精度统计, 纵向点位误差 mx 分布在 5.3 mm~53.3 mm;横向点位误差 my分布在 3.4 mm~38.9 mm;方位角中误差分布在 1.09"~4.48" ;边长相对中误差分布在 1:56617~1:273077,说明 GPS 网平面坐标满足城市一级 GPS测量的精度要求。再将各控制点高斯平面坐标转换为大同市坐标。在 GPS控制网中,有 6 个控制点为原城市一级导线点,利用城市一级导线旧坐标与 GPS测量得新坐标之残差, 按白塞尔公式计算重合点上的外符合精度为:±4.7cm,符合城市平面控制四等以下网中最弱点的点位中误差不大于5 cm的要求,由此说明,控制点平面坐标采用 GPS 定位技术测量是有效的合理的。
3 高程控制测量
采用四等水准测量方式,使用 Wild NA2 自动安平水准仪,木制基辅分划(将值 10 mm)水准尺,4 个高程起算点(采用渤海高程基准)与 74 个待定控制点构成混和水准网施测,并全野外观测据检核,确保观测值(高差)的质量。经内业水准网电算平差后的精度统计:每 km水准测量全中误差 Mw=±10.47 mm,各点位的高程中误差分布在 1.62 mm~4.80 mm,表明水准测量结果符合 《 国家三、四等水准测量规范》 (GB12898- 91)中每 km水准测量全中误差±10 mm的要求,高程中误差满足城市各等水准网最弱点的高程中误差不超过±20 mm的精度要求,水准测量获得控制点高程是可靠的。 因位于该城区控制点分布的不集中性,有 12 个控制点的高程采用 GPS测量大地高拟合高程, 拟合的方法是利用城区GPS测量的控制网部分,在随机软件上自动拟合测区拟大地水准面, 均匀分布在该 GPS网中的 7 个水准测量高程点为约束条件,经 GPS网高程约束平差获得 28 个控制点的正常高程值,其中 16个控制点已获得水准测量高程, 比较水准测量高程和 GPS拟合高程,其残差分布在 - 15.0~14.4 mm之间,由残差按白塞尔公式计算重合点上的外符合精度为±8.8 mm,同样符合城市各等水准网最弱点的高程中误差不超过±20 mm的精度要求,说明 GPS测量大地高拟合控制点高程取得成功。
4 数字测图
该工程施测 1∶500 地形带状图, 要求反映地面重要地物的位置,不要求绘制等高线,但要求足够量的高程注记点,调查地下已埋设管线的大小类型、 流向等。 管线竣工测绘主要是测量供水管的埋设状况, 穿迂碍阻物的位置, 要求绘制1∶500 的平面图, 水平方向 1∶500 且垂直方向 1∶100 的纵断面图。测绘的作业方法是全站仪全野外数据采集,现场随镜位绘制草图。依作业采用的仪器索加 SETzzD(测角精度 2" ,测距精度2+3•PPm •D),平面点位精度相对控制点优于 5 cm,高程中误差相对控制点优于 5cm。 外业数据调入计算机,生成格式(*•XYX)文件,在 SV300 绘图软件环境下,根据现场绘制的草图生成图形,并按自由分幅法自动图廓和网格线,生成(*•dwg)格式的图形文件存盘,利用 HP 绘图仪打印出各幅图。图形检查是对重要地物用钢尺丈量距离与图解距离对比计算残差, 残差最大值不超过 5 cm,说明采用数字测图技术获得成功,与常规平板绘图法比较,数字测图点位精度均匀,在棱镜偏心距离控制在 3 cm以内时,数字测图的主要误差来源是测量误差,平板测绘不仅有测量误差而且有展点误差,可见在观测仪器相同的条件下,数字测图比平板测图精度要高,图形美观,作业效率高。
5 结 论
GPS定位技术已得到广泛应用,而 GPS在城市控制测量中的应用, 因城市已建立了旧控制点, 旧控制点采用的参考椭球及投影方式的不确定性, 是采用 GPS建立城市控制遇到的主要问题。通常情况下, 通过联测国家等级点和城市控制点建立转换关系,对 GPS定位成果进行二次转换。为了衡量二次转换成果的可靠性, GPS测量除联测四等以上旧城市控制点外, 还需联测 4 个以上四等以下的导线点, 计算 GPS定位成果二次转换后, 重合点上的外符合精度。利用大地高加重力场模型改正后, 采用高程约束法获得待定 GPS点的正常高程, 精度满足城市等级水准网点高程中误差不超过±20 mm的要求。 数字测图在工程测绘应用中取得成功, 与常规平板测图相比显出其优越性。
关键词: 测绘技术； GPS； 控制测量； 应用
1 概述
某供热工程是为改善城市环境, 实现发电供热联合生产而铺设的地下管线工程。根据管线施工中对测绘作业的需求, 应建立施工测绘的控制基础, 施测 1∶500 地形带状图, 轴线放样及管线竣工测绘工作, 在作业时依据《 城市测量规范》。 针对以上测绘工作, 结合生产设备, 我们决定平面控制测量采用全球定位系统 ( GPS ) 测量, 高程控制测量采用四等水准测量、结合 GPS测量拟合测区似大地水准面, 经正常高程约束平差确定控制点的高程, 1∶500 地形带状图、 管线竣工测绘采用全野外数字化测绘完成; 轴线放样以管线轴线设计坐标, 控制点上自由设站的方法进行。
2 GPS 控制测量
2.1 GPS控制网布设
施工控制点平面坐标要求采用该市平面直角坐标系, 该坐标系是以该市城建委二等三角点 ( 肥村) 为坐标 “ 原点” 的任意平面直角坐标系统。平面控制测量采用 GPS定位技术, 联测 3个旧四等以上三角点, 联测的方法是 3 个起算点纳入到整个 ( 82个控制点构成) GPS控制网中, 参与整体控制网观测。 GPS網采用附合导线形式构成, 是根据现场选点埋设标志时绘制的草图为基础设计而成, 并按 《 全球定位系统城市测量技术规程》 中一级城市 GPS网的精度要求作业。GPS数据采集使用 3 台套 Trimble 4600LS GPS接收机按拟定好的作业计划同步观测, 即同步观测时间视边长长度而定, 最少同步观测时间 30min, 在对空通视条件最好的情况下, 可同时接收到 5 颗以上卫星的信号,且选择在卫星间的图形强度良好的时间段作业, 可以削弱城市GPS测量对空通视条件差而产生的影响。 基线解算和网平差均使用随机软件 GPSurwey 2.35 在微机上进行, 经基线检核, 符合《 GPS城市测量技术规程》 要求, GPS网三维无约束平差说明网内部符合精度较高, 基线解所确定的协方差阵的相互比例关系合理, 无约束平差确定的网基准可靠。
2.2 GPS 网约束平差
GPS网约束平差, 应采用联测起算点的平面坐标作为约束条件, 归算到大同市坐标系中。但由于该城市坐标系的参考椭球,中央子午线位置的不确定性, 直接利用已知点平面坐标对 GPS网约束平差是不可实现的。根据在大同市以往国家三等三角点和大同市控制点联测资料, 确立以中央子午线 117°30′, 投影于克氏参考椭球面上的高斯正形投影平面直角坐标和大同市坐标之间的相互转换关系, 将起算点大同市坐标转换为高斯平面坐标, 采用约束平差法对起算点的可靠性检验, 选择匹配最佳的起算点固定, 对 GPS网约束平差, 并作为最终成果。约束平差后的精度统计, 纵向点位误差 mx 分布在 5.3 mm~53.3 mm;横向点位误差 my分布在 3.4 mm~38.9 mm;方位角中误差分布在 1.09"~4.48" ;边长相对中误差分布在 1:56617~1:273077,说明 GPS 网平面坐标满足城市一级 GPS测量的精度要求。再将各控制点高斯平面坐标转换为大同市坐标。在 GPS控制网中,有 6 个控制点为原城市一级导线点,利用城市一级导线旧坐标与 GPS测量得新坐标之残差, 按白塞尔公式计算重合点上的外符合精度为:±4.7cm,符合城市平面控制四等以下网中最弱点的点位中误差不大于5 cm的要求,由此说明,控制点平面坐标采用 GPS 定位技术测量是有效的合理的。
3 高程控制测量
采用四等水准测量方式,使用 Wild NA2 自动安平水准仪,木制基辅分划(将值 10 mm)水准尺,4 个高程起算点(采用渤海高程基准)与 74 个待定控制点构成混和水准网施测,并全野外观测据检核,确保观测值(高差)的质量。经内业水准网电算平差后的精度统计:每 km水准测量全中误差 Mw=±10.47 mm,各点位的高程中误差分布在 1.62 mm~4.80 mm,表明水准测量结果符合 《 国家三、四等水准测量规范》 (GB12898- 91)中每 km水准测量全中误差±10 mm的要求,高程中误差满足城市各等水准网最弱点的高程中误差不超过±20 mm的精度要求,水准测量获得控制点高程是可靠的。 因位于该城区控制点分布的不集中性,有 12 个控制点的高程采用 GPS测量大地高拟合高程, 拟合的方法是利用城区GPS测量的控制网部分,在随机软件上自动拟合测区拟大地水准面, 均匀分布在该 GPS网中的 7 个水准测量高程点为约束条件,经 GPS网高程约束平差获得 28 个控制点的正常高程值,其中 16个控制点已获得水准测量高程, 比较水准测量高程和 GPS拟合高程,其残差分布在 - 15.0~14.4 mm之间,由残差按白塞尔公式计算重合点上的外符合精度为±8.8 mm,同样符合城市各等水准网最弱点的高程中误差不超过±20 mm的精度要求,说明 GPS测量大地高拟合控制点高程取得成功。
4 数字测图
该工程施测 1∶500 地形带状图, 要求反映地面重要地物的位置,不要求绘制等高线,但要求足够量的高程注记点,调查地下已埋设管线的大小类型、 流向等。 管线竣工测绘主要是测量供水管的埋设状况, 穿迂碍阻物的位置, 要求绘制1∶500 的平面图, 水平方向 1∶500 且垂直方向 1∶100 的纵断面图。测绘的作业方法是全站仪全野外数据采集,现场随镜位绘制草图。依作业采用的仪器索加 SETzzD(测角精度 2" ,测距精度2+3•PPm •D),平面点位精度相对控制点优于 5 cm,高程中误差相对控制点优于 5cm。 外业数据调入计算机,生成格式(*•XYX)文件,在 SV300 绘图软件环境下,根据现场绘制的草图生成图形,并按自由分幅法自动图廓和网格线,生成(*•dwg)格式的图形文件存盘,利用 HP 绘图仪打印出各幅图。图形检查是对重要地物用钢尺丈量距离与图解距离对比计算残差, 残差最大值不超过 5 cm,说明采用数字测图技术获得成功,与常规平板绘图法比较,数字测图点位精度均匀,在棱镜偏心距离控制在 3 cm以内时,数字测图的主要误差来源是测量误差,平板测绘不仅有测量误差而且有展点误差,可见在观测仪器相同的条件下,数字测图比平板测图精度要高,图形美观,作业效率高。
5 结 论
GPS定位技术已得到广泛应用,而 GPS在城市控制测量中的应用, 因城市已建立了旧控制点, 旧控制点采用的参考椭球及投影方式的不确定性, 是采用 GPS建立城市控制遇到的主要问题。通常情况下, 通过联测国家等级点和城市控制点建立转换关系,对 GPS定位成果进行二次转换。为了衡量二次转换成果的可靠性, GPS测量除联测四等以上旧城市控制点外, 还需联测 4 个以上四等以下的导线点, 计算 GPS定位成果二次转换后, 重合点上的外符合精度。利用大地高加重力场模型改正后, 采用高程约束法获得待定 GPS点的正常高程, 精度满足城市等级水准网点高程中误差不超过±20 mm的要求。 数字测图在工程测绘应用中取得成功, 与常规平板测图相比显出其优越性。