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工程独立坐标系的建立

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   摘要:在工程建设地区布设测量控制网时,其成果不仅要满足大比例尺地形图测图的需要,还要满足一般工程放样的需要。施工放样时要求控制网中两点的实测长度与由坐标反算的长度应尽可能相符,而采用国家坐标系其坐标成果大多数情况下是无法满足这些要求的。本文主要阐述了工程独立坐标系的建立方法,通过在乾县和靖边供水工程可研阶段测量中的应用,得出了一些有益的结论和建议。
  关键词:国家坐标系,独立坐标系,中央子午线,抵偿高程面
  Abstract: in the engineering construction area layout measure control network, its results not only meets the large scale topographic map surveying the need, but also meet the needs of the general projects layout. When construction lofting requirements in the two control net by the length and the length of the coordinates should as far as possible and is consistent with national coordinate system and the coordinate results in most cases is unable to meet these requirements. This paper mainly expounds the methods to set up the independent coordinate system engineering, through in situations water supply project of qian county and feasibility study stage of the application of the measurement and draw some useful conclusions and Suggestions.
  Keywords: national coordinate system, independent coordinate system, the central meridian, counter elevation face
  
  
  中图分类号:K826.16文献标识码:A 文章编号:
  1.独立坐标系的建立方法
  1.1抵偿高程面法
  在国家高斯坐标系中,其投影面为参考椭球面;而一般在工程控制网中,高程基准面往往不是参考椭球面,而是与参考椭球面不重合的测区平均高程面。从而导致以国家高斯坐标系中的坐标反算出来的距离与实际地面的长度不相等。
  1.2任意投影带法
  把中央子午线移到测区中央,建立任意带高斯正形投影平面直角坐标系,这样可以使测区的两项改正在测区中央几乎为零。
  1.3抵偿高程面+任意投影带法
  选择平均高程面作投影面,通过测区中心的子午线作为中央子午线,按高斯投影计算平面直角坐标。选择这种独立坐标系统的实质,在于保证测区中心处y=0,H=0,使式:
  
  中的 为0 ,作到测区范围内的综合长度变形为最小。为此,应对用作控制测
  量起算数据的国家大地点坐标进行如下处理
  (1)利用高斯投影坐标正反算的方法,将国家点的平面坐标换算成大地坐标(B,L);并由大地坐标计算这些点在选定的中央子午线投影带内的平面直角坐标(x,y)。
  (2)按加抵偿高坐标换算的方法,计算这些点在新的椭球内的坐标。
  2.乾县供水工程独立坐标系的建立
  2.1工程概况
  乾县城乡供水工程地处渭北旱塬,供水水源为羊毛湾水库,供水末端为县城第三水厂,线路总长21公里。
   布设方案:平面控制布设为四等GPS网。从羊毛湾水库至乾县第三水厂每4公里左右靠近线路埋设一组GPS标石,点间距离控制在1km左右,GPS点编号:Di(i=01,02,……,12。),与三个国家GPS点构成四等GPS网。GPS网的图形设计总体可靠性≥0.3,重复基线测量占独立确定(不相关)基线总数的百分数≥10%。
  2.2 GPS点位的埋设以及观测方法均按照《水利水电工程测量规范》(规划设计阶段)(SL197-97)规范执行。
  2.3数据处理
  2.3.1首先采用GPS后处理软件(Ashtech Solutions2.6)进行基线解算,接着进行观测成果的检校,其同一时段观测值的数据剔除率应小于10%。对于重复观测边的任意两个时段的成果互差,应小于接收机标称精度的2 倍。同步观测环、异步观测环各坐标分量闭合差的限差按《水利水电工程测量规范(规划设计阶段)(SL197-97)规范执行。
  2.3.2 采用GPS工程测量网通用平差软件包(CosaGPS V5.20),以所有独立基线组成闭合图形进行GPS网的无约束平差,然后在无约束平差确定的有效观测量基础上,进行1980年西安坐标系下的约束平差。
  2.3.3独立坐标系的建立
  由于该测区内投影长度变形值为10cm/km,需建立独立坐标系。采用CosaGPS V5.20,以D06为原点,以D06~D08的方位为起始方位,投影面高程为650m,进行独立坐标系下的约束平差,平差后控制网的最弱相邻点边长相对中误差为1/220000<1/40000,最大点位误差为8.8mm。表1
  
  
  由表1可以看出独立系统下的GPS点坐标反算边长很接近地面实测边长,都可以达到1/40000。可以满足大比例尺测图以及施工放样的需求。
  3.靖边能源化工综合利用产业园供水工程可研阶段测量
  3.1测区概况
  靖边能源化工综合利用产业园区供水工程由金鸡沙引水工程和白城则引水工程两部分组成。白城则输水线路从无定河取水,至园区水厂,主线路长约41.36km,比较线路长约20.06km。金鸡沙输水线路从金鸡沙水库取水,至园区水厂,线路全长约38.42km。
  3.2布设方案:基本平面控制布设为四等GPS网。每4公里左右埋设一组(三套)GPS标石并靠近线路布设,GPS点编号:Di(i=01,02,…,56)。上述Di点和国家级三角点统一构成四等GPS网。
  3.4数据处理
  3.4.1 同2.3里的前两项。
  3.4.2独立坐标系的约束平差:首先反算海则滩乡F047和靖边县1302(1980西安坐标系坐标)三角点的边长,将其投影至1300高程面;然后以海则滩乡F047(1980西安坐标系坐标)为坐标起算点,固定海则滩乡F047~靖边县1302和海则滩乡F047~Ⅲ沙家梁△的方位,以海则滩乡F047~靖边县1302、D54~D55、D55~D56、D56~D54等边长,并投影至1300高程面的距离作为已知边长,将其它36条地面实测边长(投影至1300高程面)作为观测值与GPS网进行联合平差,平差后的最弱相邻点边长相对中误差最大为1/97346<1/40000,满足规范要求。
  3.4.3 GPS成果检测:用GPS点(独立坐标系)坐标反算其角度,与全站仪实测的GPS点间角度比较,其角度较差均小于7.07″,满足规范要求。说明GPS测量采用上述平差方法解决了独立坐标系下高斯投影和大地水准面投影改正对观测边长的影响。 表2
  GPS点边长投影计算
  
  
  由表2可以看出独立系统下的GPS点坐标反算边长很接近地面实测边长,都可以达到1/40000。可以满足大比例尺测图以及施工放样的需求。
  4.结论和建议
  通过理论和实例验证充分说明了建立独立坐标系的确可以解决边长投影变形的问题,通过边长比较表可以看出两个点平均高程越接近投影面高程的投影变形越小,离起算点和起始方位越近变形也越小,这也正好符合高斯投影的规律。笔者建议在长距离线状工程测量中,尽可能采用任意投影带,并且选用抵偿高程面综合考虑建立独立坐标系。平差计算时,我们也可以考虑加入地面实测边长,所加入的边长最好采用较为精准的全站仪,如徕卡TS06、TCA2003等。并且应将该边长投影至所选择的高程投影面上。
  参考文献
  [1] 孟鲁闽等 控制测量学[M] 煤炭工业出版社 2006。
  [2] 刘长星 建立独立坐标系的研究[J] 测绘技术装备 2002。
  [3]《水利水电工程测量规范》(规划设计阶段)(SL197-97)。
  注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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