国外水电工程控制测量实践

【摘 要】本文说明了WGS84坐标系、IGS跟踪站、EGM2008地球重力场模型在水电工程控制测量中的实践，并通过算例的方式阐明了没有已知控制点的情况下，如何解决测区控制的问题。

【关键词】WGS84坐标系；IGS跟踪站；EGM2008；大地高；高程异常

0 概述

控制测量是工程建设测量而建立的平面控制测量和高程控制测量的总称。它是工程建设中各项测量工作的基础。在工程规划设计阶段，要建立地形测图控制网，用来控制整个测区，保证最大比例尺测图的需要；在施工阶段，要建立施工控制网，以控制工程的总体布置和各建筑物轴线之间的相对位置，满足施工放样的需要；在经营管理阶段，根据需要建立变形观测控制网，用来控制建筑物的变形观测，以鉴定工程质量，保证安全运营，分析变形规律和进行相应的科学研究。由于水电工程测量本身项目有其交通通信不便、山高坡陡、测区狭长等特殊的工况条件，再加上国外测绘与我国测量平面基准、高程基准均不相同，甚至没有已知成果，因此如何在国外更合理地建立控制，较为方便、通用、可靠的提高水电测绘项目的质量和效率，作者结合具体项目实践对该技术进行了部分的探讨。

1 WGS84坐标系、IGS跟踪站、EGM2008地球重力场模型简介

WGS-84坐标系（World Geodetic System-1984 Coordinate System）是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH （国际时间服务机构）1984.O定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，是在地球上建立的统一的地心坐标系。

IGS是国际GNSS服务组织The International GNSS Service，简称IGS。IGS组织由卫星跟踪站、数据中心、分析处理中心等组成，它能够在网上几乎实时地提供高精度的GPS数据和其它数据产品，以满足广泛的科学研究及工程领域的需要。IGS收集、归档、分配足够精度的GPS观测数据以满足一系列的试验及应用需要。IGS利用这些数据形成一些列的数据产品，这些数据产品可以通过因特网获得。值得一提的是，IGS产品的精度已经足够国际大地参考框架组织（ITRF）使用来对地球相关参数进行改进和延伸。

EGM2008地球重力场模型是由美国国家地理空间情报局（NGA）在2008年4月的最新一代全球重力场模型，用于描述和表示地球重力场的一类基本参数的集合，包括位系数、大地水准面高、垂线偏差、重力梯度等，是对地区重力场的逼近或者拟合。该模型最终成果主要包括2159次的全球重力场模型；全球 5′ 5′，2.52.5网格大地水准面；全球5′ 5′格网垂线偏差（ζ，η）。该模型采用了GRACE卫星跟踪数据（ITG-GRACE03S位系数信息以及相应的协方差信息）、卫星测高数据和地面重力数据等，该模型无论在精度还是在分辨率方面均取得了巨大进步，采用该模型以及GPS/水准数据有望获得更高精度的区域似大地水准面。

2 控制测量建立的基本方法

2.1 平面控制的建立步骤：

（1）根据测区的大小范围在测区边沿四周均匀的布设适当的首级GNSS控制点；

（2）在整个测区内部均匀的布设次级加密GNSS控制点；

（3）确定测区中央子午线（取测区平均值），确定测区边长归化面（取测区平均高程值）；

（4）应用多台GNSS接收机同步联测首级GNSS控制点，从网上下载同步时段的IGS跟踪站数据与首级GNSS控制点联合解算，求取WGS-84坐标成果；

（5）应用多台GNSS接收机联测次级加密GNSS控制点，同时联测适当的首级GNSS控制点，采用首级GNSS控制点成果进行二维约束平差，求取加密GNSS点WGS-84坐标成果；

（6）根据需要加密导线测量。

2.2 高程控制的建立步骤：

（1）根据GNSS解算出来的WGS84经纬度通过EGM2008地球重力场模型算出各点高程异常值；

（2）通过GNSS解算出来的椭球高与各点的高程异常值计算出EGM2008地球重力场正常高。

EGM2008地球重力场模型计算正常高公式如下：

h为大地高，HEGM2008为EGM2008似大地水准面高程，ζ为EGM2008似大地水准面高程异常。

由此可知正常高与大地高的转换公式为：HEGM2008=h-ζ。

3 事例

3.1 测区情况介绍

塞拉利昂位于西非，曼盖（Mange）电站为小斯卡赛斯河干流最下游梯级，距离河口38.28km，工程建设地点属北部省洛科港（Port Lock）地区，距马可尼（Makeni）135km，距首都弗里敦154km。坝址距城镇Mange约5km。采用混合式开发，初拟正常蓄水位30m，正常蓄水位以下库容约6.3亿m3，具有不完全年调节性能，坝壅水高14m，利用落差29.2m。初拟装机容量100MW。

塞拉利昂项目部要求曼盖（Mange）电站需测量1：2000地形图、河道纵横断面，测区长度约80km。在项目部仅搜集到1：50000地形图和1：2000放大地形图，地形图平面坐标系统为WGS84系统，高程为塞拉利昂水准面高程。为了和地形图进行有效的连接，必须新建一个覆盖整个测区的控制测量系统。

3.2 控制测量建立的实施过程

由于测区无控制资料，以现场踏勘的实际情况布设了6个二等GNSS点，观测时间为连续观测8个小时，然后用获取的数据与IGS跟踪站同时间段的数据进行联合解算，作为平面、高程首级控制。平面坐标系统为WGS84坐标系，高斯投影，投影中央子午线西经12°40′，控制点分布见图1和图2。

通过在网络上下载IGS跟踪站同步数据与二等GNSS观测数据联合解算得二等控制点成果，见表1。

根据项目设计书要求控制成果应把边长归化到正常高20.000m高程面上（投影面大地高为51.3m），投影中央子午线取测区平均中央子午线为西经12°40′，经计算GNSS点WGS84投影成果见表2。

用GNSS点的经纬度数据，按EGM2008地球重力场模型解算出各点的高程异常，根据公式正常高=大地高-高程异常，求出各点的EGM2008正常高。经计算GNSS点EGM2008正常高的WGS84投影成果见表3。

三等加密网根据测区范围按5km左右均匀布设一对点组，点组之间相互通视，距离控制在0.5km～1.5km之间，要求每对点组连续观测2个小时。三等控制点分布见图2。以二等网MGJ1、MGJ2、MGJ3、MGJ4、MGJ5为固定点进行三维约束平差。经平差计算后三等GNSS点WGS84投影成果见表4。

为了方便补测地形图和河道纵横断面，在GNSS点组之间又布设了附合五等导线和四等三角高程，在此不再赘述。

3.3 控制测量数据检核

二等GNSS控制采用引入IGS跟踪站数据进行检核，三等GNSS控制通过GNSS边长与全站仪红外边长作比较进行检核。检核数据见表5、表6。

注：极限=2（a+b×10-6），Topcon全站仪GTS-3002LN系列a=3mm，b=2ppm.

从表5得到IGS跟踪站RABT的点位中误差为2.73cm，此精度完全满足《水利水电工程测量规范》SL197-2013》第4节表4.1.2基本平面控制最弱相邻点点位允许中误差不大于±10cm（按1：2000比例尺）的要求。

从表6中GNSS边长与全站仪红外边长较差可知，地面实测的全站仪边长与GNSS边长较吻合，说明观测成果正确、可靠。

4 结论

从事例看出国外水电工程控制测量过程的实现需要注意以下几点：

（1）当测区没有已知点时，平面坐标系统可采用WGS84高斯投影坐标，高程系统可采用EGM2008地球重力场正常高系统；

（2）当测区提供了相应的地形图时，应通过EGM2008地球重力场正常高系统与地形图高程系统建立连接关系，从而转换到用户高程系统上；

（3）在控制测量施测整个过程中，应建立相应的数据检核条件，做到观测成果真实、可靠。

【参考文献】

[1]孔祥元，郭际明，刘宗全，编著.大地测量学基础[M].武汉大学出版社，2005.12（1）。

[2]徐绍铨，张华海，杨志强.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

注释：

①中华人民共和国水利部批准《水利水电工程测量规范》SL197-2013，2013年09月公布[S].