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摘要：工程测量是水利工程建设过程中的一项关键工作，应用GPS控制网能够有效提高工程测量的精度和质量。本文结合工程实例，对GPS控制网在水利工程控制测量中的应用进行了详细的介绍，为水利工程控制测量工作的进行提供参考。
关键词：GPS；控制网；水利工程；控制测量
0 引言
随着我国国民经济的快速发展，水利工程作为国民经济发展的重要命脉，其工程建设数量也日益增加。在水利工程建设过程中，传统的测量技术已无法满足当前水利工程建设的需求，而GPS以其高精度、全天候、高效率、操作简便等优点，得到了广泛的应用。如何利用GPS技术，合理布设工程控制网成为了当前水利工程建设面临的一个重要问题。
1 选点与造标
某水库作业区地形为丘陵区，滩地和林地较多，耕地较少，为中等复杂地区，土质多为壤土，冻土深度为1.2～1.4m。GPS网点图形结构比较灵活，但若选点不当，可能会造成卫星信号被遮挡或受到干扰，多路径效应发生“共振”，相位观测中“周跳”频繁发生等弊病，即使延长观测时间也于事无补。故选好点位是提高GPS观测精度、保证成果可靠性、使观测工作能够顺利进行的重要环节。
为满足水库枢纽工程施工测量的需要，建造了五个观测墩和三个水准点，且利用了一个水利局原有的标志点。建造的所有GPS点和水准点均现场浇筑钢筋混凝土，选用圆柱体模板，在观测墩上安装强制对中基盘，标石的底座和标体浇筑成了刚体。该地区的冻土极值深度为1.4m。根据“中国冻土极值深度等值线图”和实地的具体情况，JL2、JS1、JS3标石埋深为1.6m，其余均挖到基岩为止。
2 GPS控制网建立
2.1 技术要求
施工控制网等级：C级，平面坐标系统：1954年北京坐标系，120°00′00″，高斯投影，3°分带。
2.2 GPS控制网布设方案
在坝址两端各布设一个控制点，在坝址的上游布设一个控制点，下游布设2个控制点，共5个，且每个点之间都通视，加上两个起算点和一个校核点共8个点，点位之间最大距离为7.1km，最小距离为0.45km，平均距离为2.4km。在选点的过程中，严格遵守《全球定位系統（GPS）测量规范》“7.2点位基本要求”中的相关要求，控制网按边联式原则进行布网，网中点上至少有三条基线通过，总观测量为必要观测量的2.2倍，大于《工程测量规范》规定的1.5倍。平面控制网的布设不仅满足本次工程测量，还为以后大坝变形观测工作打下基础。控制网示意图见图1。
2.3 施工控制网的外业观测
施工控制网按C级精度施测，即全网最弱相邻点边长相对中误差不大于1/12万，约束点间的边长相对中误差不大于1/25万。外业观测采用南方灵锐S86T双频GPS卫星接收机来进行，GPS观测采用静态相对定位方式。GPS作业基本情况见表1。
共观测了6个时段，JL1、JL5、JL2、JL4重复设站4次，CHS、JL3、HS、LJWP重复设站2次，观测时段数=3，大于《全球卫星定位系统GPS测量规范》中对C级网时段数要求，且每个点的设站数至少为2次。
2.4 数据处理
2.4.1 GPS基线解算
基线解算之前，首先对外业采集数据进行全面的检查，包括测站名、天线高输入是否准确、卫星信号是否异常、有效的观测时段是否满足等。
基线解算采用Leica GPS后处理软件LEICA Geo Office Combined V7.0进行，选用广播星历，双频相位观测值，GPS网基线结果采用双差固定解。本控制网观测共取得具有双差固定解的基线36条。在进行基线初步检验过程中，剔除精度不好的基线，将剩余基线32条形成“水库.asc”基线文件调入CosaGPS V6.0平差软件继续进行数据检核及平差计算。
2.4.2 数据检核
数据检核在CosaGPS平差软件中进行。
GPS相邻点间弦长精度用下式表示：
本工程中a=5mm，b=1mm/km，σ依据各基线的平均长度d分别计算。
（1）重复观测边的检核
重复观测边任意两个时段的成果较差ds的限差为：ds≤2σ（σ的意义同前）。控制网重复基线较差最大值为6.1mm。基线长度为7846.0m。
由于控制网最短边为629.7m，重复边较差允许值为14.3mm。其余所有边虽长于此边，但较差均小于最短边限差。由此可以推断，其余重复基线的较差也都满足各自限差的要求。
（2）异步观测环检核
本控制网中共有异步环8个。GPS网中的异步环的坐标分量闭合差和全长闭合差应满足下式：
根据环闭合差报告结果分析：（W（x、y、z）-3×σ）的最大值为-24.2mm（JL4-JL1-JL3），该环总长为3234.2m。该环坐标分量闭合差（W（x、y、z））最大值为2.4mm，限差（3×σ）为26.6mm。（）的最大值为：-43.6mm（JL4-JL1-JL3），该环总长为3234.2m。坐标闭合差（WS）为2.4mm，限差（）为46.0mm。
由此可得出結论，本网所有W（x、y、z）、WS检核项都满足限差要求。
2.4.3 控制网中误差计算
按照《工程测量规范》（GB 50026—2007）规定，GPS控制网需要对全网整体的观测精度进行评价。
施工控制网平均边长：3215m计算，σ=5.9mm，计算m=1.4mm。显然，m≤σ，完全满足工程测量规范规定。
3 平差计算
3.1 WGS-84坐标系三维无约束网平差
采用软件CosaGPS V6.0平差软件进行GPS网三维无约束平差，求出网中各点在WGS-84坐标系下的地方三维坐标，各基线向量改正数和精度信息。无约束平差基线分量改正数的绝对值（V△x、V△y、V△z）满足下式： 三维无约束平差后的结果显示：基线分量改正数绝对值与限差之差（V（△x、△y、△z）-3σ）最大值为-1.1cm（JL1-JL2），限差为1.5cm满足限差要求。
由此可推断出本网其他的基线分量的改正数绝对值都可以满足各自限差的要求。边长相对中误差最低值1/114.1万，最弱点点位中误差为2.1mm（HS）。
3.2 1954年北京坐标系二维约束平差
首先对采用的HS、LJWP两个起算点进行检核，即HS-LJWP基线向量边长投影至高斯平面边长与北京54坐标系下坐标反算边长进行比较，两点之间边长相对中误差为1/45万，小于1/25万，所以采用HS、LJWP作为起算点。边长相对中误差最低值1/108.5万，最弱点点位中误差为1.2mm（HS）。
3.3 工程坐标计算
水库坝址地区测区高程异常值53.5m，坝顶高程为66.8m，地面高程为32m，相对于120°中央子午线来说，测区内由高斯投影引起的变形约为1/1.5萬>1/4万，显然由高斯投影引起的变形量较大，对坝址的施工控制极为不利。为减少此类变形的影响，满足施工放样的要求，经过多重比较，将中央子午线调整至120°33′00″，测区内由高斯投影引起的变形约为1/8万，完全满足施工控制的要求。
4 平面控制成果比较
采用徕卡TS30（测角精度：0.5″，测距精度：1mm+1ppm）测量施工控制点边长与GPS基线边长进行比较，来检查施工控制网的可靠性。
5 高程控制测量
高程控制采用1985国家高程基准，采用二等几何水准的方式进行测量。施测前，对水准仪进行了i角检验，最大值为6.2″，最小值为3.3″（限差15″）。水准测量采用单路线往返观测法测量，布设二个水准网联测所有控制点。水准网平差计算采用现代测量控制网测量数据处理通用软件包COSA-CODAPS Version 6.0。水准网一的每公里偶然中误差MΔ=0.8mm，全中误差Mw=1.7mm。水准网二的每公里偶然中误差MΔ=0.9mm，全中误差Mw=3.3mm。
6 结语
综上所述，水利工程施工场地地形复杂，对工程测量工作的开展带来了极大的不便。而GPS技术作为建立水利工程施工控制网的最优技术，能够有效提高工程测量效率，节约测量成本。因此，在水利工程测量时，测量人员要结合工程实际情况，应用GPS技術合理布设工程控制网，促进工程建设的高效、顺利进行。
参考文献：
[1]GPS控制网在特殊地形测量中的应用[J].吴佳熠，贾喻慧.内蒙古煤炭经济.2015（02）
[2]GPS高程拟合在水利工程控制网中的应用[J].张亮.测绘与空间地理信息.2016（06）
关键词：GPS；控制网；水利工程；控制测量
0 引言
随着我国国民经济的快速发展，水利工程作为国民经济发展的重要命脉，其工程建设数量也日益增加。在水利工程建设过程中，传统的测量技术已无法满足当前水利工程建设的需求，而GPS以其高精度、全天候、高效率、操作简便等优点，得到了广泛的应用。如何利用GPS技术，合理布设工程控制网成为了当前水利工程建设面临的一个重要问题。
1 选点与造标
某水库作业区地形为丘陵区，滩地和林地较多，耕地较少，为中等复杂地区，土质多为壤土，冻土深度为1.2～1.4m。GPS网点图形结构比较灵活，但若选点不当，可能会造成卫星信号被遮挡或受到干扰，多路径效应发生“共振”，相位观测中“周跳”频繁发生等弊病，即使延长观测时间也于事无补。故选好点位是提高GPS观测精度、保证成果可靠性、使观测工作能够顺利进行的重要环节。
为满足水库枢纽工程施工测量的需要，建造了五个观测墩和三个水准点，且利用了一个水利局原有的标志点。建造的所有GPS点和水准点均现场浇筑钢筋混凝土，选用圆柱体模板，在观测墩上安装强制对中基盘，标石的底座和标体浇筑成了刚体。该地区的冻土极值深度为1.4m。根据“中国冻土极值深度等值线图”和实地的具体情况，JL2、JS1、JS3标石埋深为1.6m，其余均挖到基岩为止。
2 GPS控制网建立
2.1 技术要求
施工控制网等级：C级，平面坐标系统：1954年北京坐标系，120°00′00″，高斯投影，3°分带。
2.2 GPS控制网布设方案
在坝址两端各布设一个控制点，在坝址的上游布设一个控制点，下游布设2个控制点，共5个，且每个点之间都通视，加上两个起算点和一个校核点共8个点，点位之间最大距离为7.1km，最小距离为0.45km，平均距离为2.4km。在选点的过程中，严格遵守《全球定位系統（GPS）测量规范》“7.2点位基本要求”中的相关要求，控制网按边联式原则进行布网，网中点上至少有三条基线通过，总观测量为必要观测量的2.2倍，大于《工程测量规范》规定的1.5倍。平面控制网的布设不仅满足本次工程测量，还为以后大坝变形观测工作打下基础。控制网示意图见图1。
2.3 施工控制网的外业观测
施工控制网按C级精度施测，即全网最弱相邻点边长相对中误差不大于1/12万，约束点间的边长相对中误差不大于1/25万。外业观测采用南方灵锐S86T双频GPS卫星接收机来进行，GPS观测采用静态相对定位方式。GPS作业基本情况见表1。
共观测了6个时段，JL1、JL5、JL2、JL4重复设站4次，CHS、JL3、HS、LJWP重复设站2次，观测时段数=3，大于《全球卫星定位系统GPS测量规范》中对C级网时段数要求，且每个点的设站数至少为2次。
2.4 数据处理
2.4.1 GPS基线解算
基线解算之前，首先对外业采集数据进行全面的检查，包括测站名、天线高输入是否准确、卫星信号是否异常、有效的观测时段是否满足等。
基线解算采用Leica GPS后处理软件LEICA Geo Office Combined V7.0进行，选用广播星历，双频相位观测值，GPS网基线结果采用双差固定解。本控制网观测共取得具有双差固定解的基线36条。在进行基线初步检验过程中，剔除精度不好的基线，将剩余基线32条形成“水库.asc”基线文件调入CosaGPS V6.0平差软件继续进行数据检核及平差计算。
2.4.2 数据检核
数据检核在CosaGPS平差软件中进行。
GPS相邻点间弦长精度用下式表示：
本工程中a=5mm，b=1mm/km，σ依据各基线的平均长度d分别计算。
（1）重复观测边的检核
重复观测边任意两个时段的成果较差ds的限差为：ds≤2σ（σ的意义同前）。控制网重复基线较差最大值为6.1mm。基线长度为7846.0m。
由于控制网最短边为629.7m，重复边较差允许值为14.3mm。其余所有边虽长于此边，但较差均小于最短边限差。由此可以推断，其余重复基线的较差也都满足各自限差的要求。
（2）异步观测环检核
本控制网中共有异步环8个。GPS网中的异步环的坐标分量闭合差和全长闭合差应满足下式：
根据环闭合差报告结果分析：（W（x、y、z）-3×σ）的最大值为-24.2mm（JL4-JL1-JL3），该环总长为3234.2m。该环坐标分量闭合差（W（x、y、z））最大值为2.4mm，限差（3×σ）为26.6mm。（）的最大值为：-43.6mm（JL4-JL1-JL3），该环总长为3234.2m。坐标闭合差（WS）为2.4mm，限差（）为46.0mm。
由此可得出結论，本网所有W（x、y、z）、WS检核项都满足限差要求。
2.4.3 控制网中误差计算
按照《工程测量规范》（GB 50026—2007）规定，GPS控制网需要对全网整体的观测精度进行评价。
施工控制网平均边长：3215m计算，σ=5.9mm，计算m=1.4mm。显然，m≤σ，完全满足工程测量规范规定。
3 平差计算
3.1 WGS-84坐标系三维无约束网平差
采用软件CosaGPS V6.0平差软件进行GPS网三维无约束平差，求出网中各点在WGS-84坐标系下的地方三维坐标，各基线向量改正数和精度信息。无约束平差基线分量改正数的绝对值（V△x、V△y、V△z）满足下式： 三维无约束平差后的结果显示：基线分量改正数绝对值与限差之差（V（△x、△y、△z）-3σ）最大值为-1.1cm（JL1-JL2），限差为1.5cm满足限差要求。
由此可推断出本网其他的基线分量的改正数绝对值都可以满足各自限差的要求。边长相对中误差最低值1/114.1万，最弱点点位中误差为2.1mm（HS）。
3.2 1954年北京坐标系二维约束平差
首先对采用的HS、LJWP两个起算点进行检核，即HS-LJWP基线向量边长投影至高斯平面边长与北京54坐标系下坐标反算边长进行比较，两点之间边长相对中误差为1/45万，小于1/25万，所以采用HS、LJWP作为起算点。边长相对中误差最低值1/108.5万，最弱点点位中误差为1.2mm（HS）。
3.3 工程坐标计算
水库坝址地区测区高程异常值53.5m，坝顶高程为66.8m，地面高程为32m，相对于120°中央子午线来说，测区内由高斯投影引起的变形约为1/1.5萬>1/4万，显然由高斯投影引起的变形量较大，对坝址的施工控制极为不利。为减少此类变形的影响，满足施工放样的要求，经过多重比较，将中央子午线调整至120°33′00″，测区内由高斯投影引起的变形约为1/8万，完全满足施工控制的要求。
4 平面控制成果比较
采用徕卡TS30（测角精度：0.5″，测距精度：1mm+1ppm）测量施工控制点边长与GPS基线边长进行比较，来检查施工控制网的可靠性。
5 高程控制测量
高程控制采用1985国家高程基准，采用二等几何水准的方式进行测量。施测前，对水准仪进行了i角检验，最大值为6.2″，最小值为3.3″（限差15″）。水准测量采用单路线往返观测法测量，布设二个水准网联测所有控制点。水准网平差计算采用现代测量控制网测量数据处理通用软件包COSA-CODAPS Version 6.0。水准网一的每公里偶然中误差MΔ=0.8mm，全中误差Mw=1.7mm。水准网二的每公里偶然中误差MΔ=0.9mm，全中误差Mw=3.3mm。
6 结语
综上所述，水利工程施工场地地形复杂，对工程测量工作的开展带来了极大的不便。而GPS技术作为建立水利工程施工控制网的最优技术，能够有效提高工程测量效率，节约测量成本。因此，在水利工程测量时，测量人员要结合工程实际情况，应用GPS技術合理布设工程控制网，促进工程建设的高效、顺利进行。
参考文献：
[1]GPS控制网在特殊地形测量中的应用[J].吴佳熠，贾喻慧.内蒙古煤炭经济.2015（02）
[2]GPS高程拟合在水利工程控制网中的应用[J].张亮.测绘与空间地理信息.2016（06）