精密工程控制网的建立.doc

精密工程测量控制网的建立方法 上海光源工程首级控制网的建立 刘廷明 （上海建浩工程顾问有限公司 邮编200030） 摘要详细介绍了精密工程测量控制网的布设、控制测量的实施和数据处理的通用作业方法，并结合上海光源精密工程控制网的建立，进一步说明了通用作业方法的可行性，对同类高精度工程控制网的建立具有一定的指导作用。 关键词精密控制网；全站仪测量；数据处理；方差估计 The Establishment of Engineering Control Network with High Degree of Accuracy LIU Tingming .Shanghai Jianhao Engineering Counseling Company Limited，Shanghai 200030，China ABSTRCT the of engineering control network with high degree of accuracy about its design, field surveying and data processing are detailed in this paper, and also is verified by the engineering example of Shanghai synchrotron radiation facility. It may be helpful to the same kind of project. Key Words precise engineering control network; surveying by total station; data processing; variance estimation 随着科学技术的进步和人类社会的发展，工程结构愈来愈复杂，其施工建设对测量的精度要求亦越来越高。对于土木工程而言，普通工程测量的测量精度多在厘米级水平，采用常规测量手段和方法就可满足工程施工要求；而精密工程测量则要求在毫米乃至毫米以下，若采用常规测量手段和方法则难以达到精度要求。事实上，精密工程测量一直是工程测量界关注的对象，因为精密工程测量代表着工程测量学的发展方向，是促进工程测量学科发展的动力。本文将试图通过国内外一些已成功实施的工程项目，并结合作者参与的上海光源精密工程，讨论有关精密工程控制网建立的一些通用作法，供参考。 一、控制网的布设 精密工程测量是指绝对测量精度达到毫米量级，相对测量精度达到10um，在特殊条件下，采用先进的仪器设备和技术手段进行的一种特殊的工程测量工作[4]。精密工程控制网的作用是在工程施工前（设计阶段）、施工中（施工阶段）以及施工后（竣工运营阶段）的各个不同的阶段对被测量（放样）点、线和面提供可靠的测量基准。 精密工程测量控制网在许多方面有别于国家大地测量和常规工程测量控制网。首先表现在控制网的设计上，必须先进行网的优化设计。考虑到后期变形测量的需要，控制网的优化设计通常要同时涉及到精度、可靠性和灵敏度指标设计。设计中，要求尽可能地进行多余观测，以增强网的内部可靠性（增加观测值多余观测分量），有利于观测值粗差定位和方差分量估计。对于采用GPS布网，就要求对网作精心布设，注意地面观测条件，并且采用精密星历解算基线。对于精密工程来说，尽量不采用单纯的GPS网[10]，将GPS网与边角网同时联合解算是一个不错的选择，但要注意GPS网与地面网边之间的精度匹配以及地面边角测量精度匹配的影响，当然成本会相应增大，这还有待实践的进一步检验。 工程控制网优化设计方法有解析法和模拟法两种[3]。解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值，一般将网的精度、可靠性和灵敏度指标作为目标函数或约束条件。模拟法优化设计是根据设计资料和地形图资料在图上选点布网，模拟观测方案和观测值，计算网的各种质量指标，如精度、可靠性和灵敏度等。相比较而言，由于模拟法比较灵活，加之有测量经验容易实现；相反解析法求出的最后结果可能很好，但无法实施。 在实践中工作中，按以下步骤进行优化设计先固定观测值的精度，对选取的网点，观测所有可能的边和方向，计算网的质量的指标，若质量偏低，则必须提高观测值的精度。在某一组先验精度下，若网的质量指标偏高了，这时可按观测值的内部可靠性指标删减观测值，若某个观测的多余观分量太大，说明该观测值显得多余，应删去；若很小，则该观测值的精度不宜增加。根据这种方案很容易得到一个最优方案。上海光源工程就是采用模拟法进行优化设计的。 二、测量仪器和控制网的实施 目前几乎所有精密工程测量都采用高精度的全站仪（1-2mm1-2ppm）和各种高精度GPS接收机，以及高精度水准仪（0.5-1.0mm/km），为控制网的实施提供技术保障。值得重视的是，所有的仪器设备和设施，在测量前均应进行所有项目的鉴定检核，以便于在后续的数据处理中进行各项必要的改正。如全站仪的测角内外符合精度，边长的加乘常数和周期误差，水准仪的i角误差和透镜运行误差，GPS的相位偏心误差等。 原则上所有的测量控制点均应不受变形因素影响,通常埋设至基岩层，以确保点位稳固，用钢筋混泥土现场浇铸，并采用强制归心装置，以消除对中误差。作业要求至少按工程测量规范二等要求施测。长度和水准需进行必要的往返观测，借以减弱其综合观测误差。此外，照准误差不能忽视，根据我们的经验，多数粗差的产生往往是照准上出现问题。 与常规控制不同的另一方面，需要定期对网进行检测，以考察所埋设的有可能发生变动的控制点是否稳定。 三、内业数据处理 精密工程控制网涉及的数据处理内容较多，相对其它较复杂一些，概括起来分三个部分。一是坐标系和投影面的选择。多数情况一般采用地方独立坐标系，若考虑到今后的需要，还应和国家控制网进行联测。选择地方独立坐标系主要是有利于施工放样的方便，为了反映网的内部实际精度而不受起始点误差的影响，也经常选择一个已知点和一个已知方向来作为网的起算数据。二是数据的预处理，边角网涉及的数据预处理项目有[3][5]数据整理，方向投影改化，边长常数及周期误差改正、倾斜改正和投影改化，闭合差验算等。水准测量包括数据整理，尺长改正、水准面不平行改正，闭合差验算等。三是网的平差，由于观测值涉及到多个不同类型和来源，通常采用按方差分量估计进行定权平差。 方差和协方差分量估计[1][2]实质上是精化平差的随机模型，或者说更为准确地知道模型参数的随机性质，这是平差理论上的要求。过去我们经常忽略它，取代的是我们的经验，这对精度要求不高的控制网来说是允许的。但对精密工程控制网来说必须对多种观测量进行综合处理，这可从后面的实例和参考文献得到应证。因此，方差分量估计已成为精密工程测量平差的必备内容。 计算过程中，我们还应密切注意观测值改正数的变化。对于较大的改正数要采取措施，较好的办法是用巴尔达的数据探测法[1]对观测值进行处理，其作法是每次只对一个较大的改正数（如大于3.5倍的中误差）所对应的观测值进行处理，直到所有的改正数均小于某一个阀值。稳健估计法虽具有抵抗多个粗差影响的优点，但不易对多个粗差同时进行定位和定值。 四、精密工程测量控制网的建立方法在本工程中的应用 上海光源是中国科学院和上海市政府联合投资建设的国家大型综合同步加速器工程项目。该工程项目（见图1）呈圆形结构，造型奇特新颖。从里到外主要分为四大块直线隧道、增强器隧道、储存环隧道和试验大厅。根据需要将加速后的不同能量的高能粒子穿过不同的储存环隧道锯齿墙来供科技人员进行实验。由于此项目为国家重大工程，在前期筹备时就提出了该工程建筑、安装施工的两个难点一是建筑施工工艺较复杂；二是测量定位精度要求较高。因此，测量定位引起业主、监理、施工三方的高度重视，除施工单位，还特聘请监理公司和研究单位同共作测量方案、布设测量控制网和测点放样复核。针对该工程结构特点，施工测量难点主要有以下几方面 （1）、控制测量精度高。由于该工程对主体结构、设备构件的定位要求较高，主体结构测量定位相 对控制线的定位误差要控制在5mm以内，光束线与储存环锯齿墙、波导孔预埋件相对控制点定位要控制在3mm以内，才能满足将来科学实验设备安装的要求。 （2）、主体结构板墙、储存环地沟定位测量都是圆环结构，圆环结构的放样点位密集，大量的放样点需要现场计算，因此现场计算及放样、复核的工作量相当大。 （3）、光束线与储存环锯齿墙、波导孔预埋件定位测量。光束线与储存环锯齿墙、波导孔预埋件是实验设备安装的构件，该部分构件是光束线通过、加速、离子分裂、能级变迁的重要设备，对其定位的要求要达到微米级，要用特殊的测量设备来调整。因此对其预埋件的定位要尽量满足设计要求，三维位置控制在3mm以内。 1、首级控制网的布设 根据工程的外形结构和施工情况，首级控制网点的选择布设在施工场地四周（见图2），且点位不受施工的影响，点的设置要稳固。经模拟优化设计后，确定图中YA，YB，YC，YD和YE为首级控制点，G10和G9为上海测绘院提供的起算点，共同组成首级控制网。 由于控制网精度要求高，以及将来设备定位、结构施工结束后，后期整体变形监测的需要，首级控制点均由设计根据现场施工条件制作在已选点上用工程钻钻至基岩层，然后用长60米的PHC管桩埋至地下，中间填满碎石混泥土，顶部预留1.4米制作四个强制归心点（见图3），分别为YA、YB、YC和YD，YE点设在先建的综合办公楼楼顶。考虑到高程精度的要求，在YA、YB、YC、YD上用钢钉在PHC管桩上埋设一向上小弯钩，作为四个水准点标志，组成高程控制网。 2、首级控制网的测量 由于高能粒子研究场地周围观测因素，首级平面控制采用Leica 1800高精度全站仪进行边角同测，组成边角网。该仪器的测角精度为1“，测距精度为1mm1ppm，施测前均经过严格的常数检测。为了减小对中误差，外业观测仪器采用强制对中，并按城市二等控制网要求施测，角度观测6测回（测回之间变换读数），边长正倒镜各三测回（测回间重新照准），为了考察系统误差，边长往返观测。边长观测时输入温度和气压等气象数据以进行温度和气压的改正。 高程控制网的观测图形和路线与平面控制网相同，如图2所示。起始数据利用测绘院提供的G9和G10控制点作已知高程点，布设成具有两个闭合环的水准网。外业施测采用高精度Wild NA2配合铟钢尺按城市二等水准往返观测。 3、内业测量数据处理 （1）、数据预处理 边角网涉及的数据预处理项目有[4][5]数据整理，闭合差验算，方向投影改化，边长常数及周期误差改正、倾斜改正和投影改化等。由于该工程总占地面积不大，控制网最长边307m，平均227m；加之采用上海城市坐标系，经试算，只进行了边长常数及周期误差改正、倾斜改正，其它改正均小于0.1mm。 （2）、坐标平差计算 为了考察与传统的方法定权对结果的影响，下面通过两种不同的定权方案进行计算，限于篇幅，仅列出涉及到的计算公式,详细的推导过程参见[1][2]。 A、按经验公式定权 方向中误差和测距中误差均按仪器标称精度给出,。 方向的权为 （1） 边长的权为 （2） B、按赫尔默特方差分量估计定权 通过观测值的改正数来估计先验方差，其基本思想是，先给观测值的权赋予某个初值，然后计算其观测值的改正数，根据改正数进一步计算先验权的近似值，反复计算，一直到当两类方差因子相等时，最后求得验后估值。 表一 首级控制网不同定权平差成果对比表 根据赫尔默特方差分量估计定权公式，在VC6.0环境下编程计算，为了便于比较，将其计算结果列于上表一。 （3）计算结果分析 1）按照本文介绍的方法用全站仪按边角测量建立高精度工程控制网，其点位误差最大达到2.7mm，完全满足点位中误差小于5mm的工程施工精度要求； 2）采用赫尔默特方差分量估计定权，比采用经验公式定权更加合理。计算数据表明，采用赫尔默特方差分量估计定权后的精度比按经验公式有所提高，整体精度提高约26，虽然在坐标上两种定权方法最大只相差0.5mm，但对高精度工程控制网来说还是显著的，这与参考文献[6][7][8]所得的结论是一致的。 4）采用赫尔默特方差分量估计定权，不依赖权的初值。在计算过程中，初始权取为单位阵，最后估计结果完全相同，只是在叠代次数上多了1次，说明赫尔默特方法收敛较快。 五、结语 本文详细地介绍了精密工程测量控制网的布设、控制测量的实施和数据处理的通用作业方法，指出了作业中应注意的问题，文中还结合上海光源精密工程控制网的建立，进一步说明了通用作业方法的可行性，对同类高精度工程控制网的建立具有一定的指导作用。 参考文献 [1] 陶本藻，测量数据统计分析[M]．北京测绘出版社，1992 [2] 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