雄安新区三等水准网建设与实现_付利钊.pdf

雄安新区三等水准网建设与实现付利钊1 张新行1 武书利1 董国华1 苏建平1 郜云峰1*(河北省第一测绘院 河北 石家庄 0 5 0 0 3 1)作者简介付利钊(1 9 8 7年),男,河北张家口人,工程师,硕士,从事大地测量、数字城市系统开发等工作。摘 要 为实现雄安新区“一主、五辅、多节点”的建设目标,2 0 1 9年新区从规划阶段进入实质建设阶段。根据以往城市建设经验,测绘基准建设尤为重要,这是项目建设开工和竣工验收两个阶段所必须参考的起算标准。完善覆盖新区全域的首级控制网(平面基准和高程基准),对于建设施工方和项目质检方都具有了可以就近参考的准确起算标准。雄安新区三等水准网的建设与国家一等水准点进行联测,并利用北京玉渊潭水准原点进行检验,确保雄安新区高程基准与国家高程基准的一致性。关键词 高程基准;三等水准;雄安新区;规划建设 引言高程基准是国家测绘基准的重要组成部分,是地理空间基础框架的主干之一,是地面各类特征点高程的统一起算点。完善的高程基准对雄安新区的城市规划建设、国民经济建设以及大型基建工程都具有重大意义。建立覆盖新区全域的首级控制网,强化新区测绘基准,为工程建设项目精准落地提供便利可靠的三维空间定位信息。为高质量高标准建设雄安新区,适应精细化管理对应精准定位服务的需求,进一步完善新区测绘基准体系。雄安新区一等水准网建设是由自然资源部统筹,河北省自然资源厅实施的,该项工作截止2 0 2 0年4月,已完成全部数据观测,正在后期处理中。雄安新区三等水准网建设由雄安新区规划建设局统筹建设,于2 0 1 9年1 1月完成了验收,目前该套成果已对外公布,并且构建了多系统兼容、覆盖全域(补充一等水准网空白区域)、支撑室内室外、地上地下、水下空中定位的高精度、三维、动态、多功能高程测绘基准体系,为雄安新区各项规划建设提供现代化的基础测绘服务1-4。1.作业区地理概况和已有资料情况分析1.1作业区地理概况雄安 新 区 地 处 北 纬3 8 4 3 3 9 1 0,东 经1 1 5 3 8 1 1 6 2 0,位于北京、天津腹地,距离北京、天津均为1 0 5 k m,距离石家庄市1 5 5 k m,距离保定市3 0 k m,距离北京大兴国际机场5 5 k m。东邻河北省霸州市、固 安 县、任 丘 市;南 与 保 定 市 高 阳 县 接壤;西与保 定 市 清 苑 区、徐 水 县 交 界;北 与 高 碑 店市、白沟新城为邻。新区是由雄县、容城、安新三县(含白洋淀水域),任丘市鄚州镇、苟各庄镇、七间房乡和高阳县龙化乡组成,共辖3 3个乡镇、6 3 7个行政村。面积约2 0 0 0 k m2,东西横距约6 1 k m,南北纵距约5 3 k m5。1.2已有资料情况分析雄安新区水准网建设有以下资料可供利用:(1)2 0 1 2-2 0 1 5年完成的国家高程控制网中一等水准路线 京石线在雄安新区西侧通过,其路线上的点位可以作为雄安新区三等水准网的起算点。(2)国家二等水准路线霸任线、保任线、高霸线,分别位于雄安新区东侧、南侧和北侧。(3)截止2 0 1 8年底,中国地质环境监测院在雄安新区共埋设了1 2 0座水准标石,其部分点位可以作为雄安新区三等水准网的设计点位。(4)雄安新区高程控制网(一等)已完成埋石工作,其路线上的点位可以作为雄安新区三等水准网的设计点位。2.水准网建设技术路线和工作流程2.1收集雄安新区范围内及周边已有水准点进行雄安新区三等水准网设计。2.2按照设计的水准路线进行水准点埋设。2.3雄安新区三等水准网采用中丝读数法,按照单路线往返观测,水准往、返测每测站照准顺序为后-前-前-后。2.4外业计算包括:外业高差和高程表的编算;每千米水准测量偶然中误差的计算;附和路线和环线闭合差计算。高程系统采用正常高系统,高程基准采用1 9 8 5国家高程基准。2.5水准网平差:平差计算采用武汉大学(原武汉测绘科技大学)研制的“控制测量数据处理通用软件包(C O D A P S)”软件进行整网平差。每千米水准测量的偶然中误差不超过3.0 mm,每千米水准测量的全中误差不超过6.0 mm6。本项目的工作流程见下图所示:191 勘查技术DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.005图1 技术流程图3.水准网建设实践雄安新区规划建设是千年大计、国家大事,坚持世界眼光、国际标准、中国特色、高点定位的设计理念,雄安新区三等水准网建设站在高标准的要求上进行设计,能够为雄安新区各项规划建设提供现代化的基础测绘服务,因此,雄安新区三等水准网是在一等水准网的基础上进一步加密,根据需要在高等级水准网内布设附和路线、环线或结点网,直接提供地形测图和各种工程建设所必需的高程控制点。3.1选点和埋石按照设计要求,经实地普查对雄安新区三等水准网进行了布设工作,共选埋三等水准点8 7个。其中利用一等水准点1 5个(中国地质环境监测院埋设的水准标石中的2个、雄安新区高程控制网(一等)中的1 3个),新埋设7 2个三等水准点,水准点平均路线距离为4.2千米。共5条水准路线,组成1个附合路线和3个闭合环,全长共4 3 4.6千米。具体布设情况见下图:图2 雄安新区三等水准网图 水准标志采用不锈钢标志,为体现雄安新区未来城市地标的设计理念,水准标志圆盘部采用莲花形,采取了白洋淀中的莲花图案,同时在圆盘部注记:雄安三等 水 准 点 及 建 设 单 位 名 称,水 准 点 标 志 图 见图3。图3水准点标志雄安新区三等水准网,全部采用混凝土普通水准标石。标石柱体采用预制标石柱体,底盘在现场浇灌,同时在保护盘中部镶入标有水准点点号等详细信息的不锈钢标牌。标石的制作与埋设现场见图4。图4水准标石现场图3.2水准观测雄安新区三等水准网,采用单路线往返观测,一条路线的往返测使用同一类型仪器和转点尺承,沿同一路线进行7-8。三等水准往、返测每测站照准顺序为后-前-前一后。雄安新区三等水准网共施测9 4个测段,观测精度为往返测不符值与限差的占比,简称,其精度统计表见表1。表1观测精度统计表名称测段数1/31/31/21/23/43/4限差雄安新区三等水准网9 48 7610291 测段往返测不符值及路线往返测不符值均未超限。3.3数据分析与处理水准网平差计算前,对外业高差进行了水准标尺每米真长的改正和正常水准面不平行改正的计算。3.3.1三等水准观测的测段、路线往返测高差不符值及检测高差之差的限差不超过表2的规定。经过计算和分析,得到各路线往返测不符值,详见表3。这一步计算是为了发现往返测过程中,出现的不适合平差计算的测段。当超限时,对可靠程度较小的往测或返测进行整测段重测。当重测的高差与同方向原测高差的不符值超过往返测高差不符值的限差,但与另一单程的高差不符值未超出限差,取用重测结果;当重测的高差与同方向原测高差的不符值不超过往返测高差不符值的限差,且其中数与另一单程原测高差的不符值亦不超出限差,取此同方向中数作为该单程的高差。若超出上述限差,则应重测另一单程。经过不符合测段的重测和取舍,确保了观测数据往返测不符值不超限。表2往返测高差不符值、检测高差之差的限差单位:mm测段、路线往返测高差不符值环闭合差检测已测测段高差之差1 2K1 2L2 0R注:k测段、区段、路线长度,单位为千米(k m);当测段长度小于0.1 k m时,按0.1 k m计算;L环线长度,单位为千米(k m)R检测测段长度,单位为千米(k m);检测测段长度小于1 k m时按1 k m计算。表3路线往返测不符值统计表路线名路 线路线起始点名路线结束点名距离(Km)不符值(mm)限差(mm)南堂线南堂0 1南堂1 76 8.5-6.79 9.3南龙线南堂0 1张刘1 51 0 1.8-1 3.61 2 1.1大刘线容昝0 6张刘1 56 7.1-1 9.89 8.3张刘线南堂1 7张刘1 56 7.2-3 9.49 8.4容昝线南龙0 3南堂1 76 8.0+0.59 9.0联测已知点南堂0 11 1 2 64 2.6-4 2.07 8.3南龙1 21 1 3 51 9.4+1 6.45 2.93.3.2观测完成后,计算路线偶然中误差,每完成一条水准路线的测量,进行往返测高差不符值及每千米水准测量偶然中误差M0的计算(测段数不足2 0个的路线,可纳入 相邻 路 线 一 并 计 算)。M0=/R/4 n,为往返测高差不符值,R为测段长度,n为测段数。故5条路线偶然中误差分别为:1)南堂线(含南堂0 11 1 2 6)每公里水准测量偶然中误差0.9 9 mm;2)南龙线(含南龙1 21 1 3 5)每公里水准测量偶然中误差1.1 6 mm;3)大 刘 线 每 公 里 水 准 测 量 偶 然 中 误 差1.0 5 mm;4)张 刘 线 每 公 里 水 准 测 量 偶 然 中 误 差0.9 2 mm;5)容 昝 线 每 公 里 水 准 测 量 偶 然 中 误 差1.6 3 mm。均不超过三等水准测量技术规定的偶然中误差3.0 mm,故无需重测。3.3.3观测完成后,在对测段高差加入水准标尺尺长改正和正常水准面不平行改正后,拼环精度良好,满足规范要求,具体拼环数据见下表4。当环线闭合差超限时,重测路线上可靠程度较小的(往返测高差不符值较大或观测条件不佳者)测段。附合路线闭合差超限时,根据具体情况重测有关测段。高差过大等地区,宜加入重力异常改正,雄安新区地势平坦,高差变化不大,故无需加入重力异常改正。表4水准路线拼环数据表环号距离(k m)闭合差(mm)限差(mm)南堂0 1南堂1 7南龙0 3南堂0 1 1 5 0.7+3.01 4 7.3南龙0 3容昝0 6张刘1 5南龙0 3 1 7 8.8+1 5.0 1 6 0.5容昝0 6南堂1 7张刘1 5容昝0 6 1 7 8.2+7.01 6 0.2表5水准路线附合数据表附合路线距离(k m)闭合差(mm)限差(mm)1 1 2 61 1 3 51 1 9.1-9 9.01 3 1.03.4平差计算及精度分析水准网的平差采用武汉大学测绘学院研制的 控制测量数据处理通用软件包(C O D A P S)进行严密平差,高程基准采用1 9 8 5国家高程基准9。三等水准网由9 1个水准点组成,共联测四个一等水准点。因一等水准网目前还没有完成,为了使三等水准网和雄安一等水准网进行有效的衔接,利用雄391 勘查技术安一等水准观测数据,计算了从北京玉渊潭水准原点至1 1 3 5下的高程(各测段进行了尺长和正常水准面不平行改正,确保精度可以达到规范要求)。经分析,通过一等水准计算的高程成果与档案成果存在差距,其中1 1 2 6相差6毫米,I京石3 1相差1 3毫米,I京郑水文站相差1 4毫米,1 1 3 5相差1 0 2毫米(因高程值涉密,故无法列表对比两套成果,故以差值来表明变化)。附合路线1 1 2 61 1 3 5,三等水准观测高差为-1 7.8 7 9米,一等水准观测高差为-1 7.8 8 8米,均与档案成果高差-1 7.7 8 0相差约1 0 0毫米。因此,为了保证三等水准与一等水准的附合性,采用1 1 2 6的档案成果作为三等水准网平差的起算数据。每完成一条附合水准路线或闭合环线的测量,并对观测高差施加尺长、正常水准面不平行两项改正后,计算附合路线或闭合环线的闭合差w1 0。当构成水准网的水准环超过2 0个时,计算每千米水准测量全中误差Mw=w w/F/N,F为环线周长,N为环数。经过 平 差 计 算,每 公 里 水 准 测 量 全 中 误 差 为 0.9 9 7 mm,符合三等水准测量技术规定的全中误差 6.0 mm。最弱点1 1 3 5下的高程中误差 1 0.0 7 mm。4.利用水准成果完善新区测绘基准的思考4.1雄安原点的建设雄安原点作为雄安新区的城市原点,须在城市主城区选取具有代表性的地理位置设置城市地理地标。原点要选在地址构造稳定、地下物质稳定区域,同时考虑与深层基岩水准点并置,则需要便于联测水准,这样一来水准复测时,可以利用基岩点的高程值就近完成起算,避免从远距离选择起算点,这样缩短了水准路线长度,可以有效提升高程精度。原点可以选择在雄安新区行政区划中心位置,这样可以确保坐标成果可向各方向均匀推算,精度分布相对均匀,同时又不影响到新区总体规划建设。城市原点还可以反映一个城市的地域特点和历史文脉,成为城市重要的标志性景观,也代表了城市的历史与发展的缩影符号。4.2雄安新区似大地水准面精化综合利用地面重力数据、高程异常点、数字地面高程模型数据、水准网成果,结合卫星测高、航空重力数据、卫星重力梯度测量等技术手段建立雄安新区高精度、高分辨率的似大地水准面,结合G P S技术测定的精确大地高,取代传统的水准测量方法测定正常高,可以真正实现G P S技术在几何和物理意义上的三维定位功能,为城市规划建设、气象预报、地震检测、国土调查、沉降监测、交通监控、公共安全、国防安全、农业发展、电力通讯等各项工作提供更为广泛的服务。雄安新区似大地水准面精化可采用组合法,即以G P S水准所确定的高精度但分辨率较低的几何大地水准面作为控制,将重力学方法确定的高分辨率但精度较低的重力大地水准面与之拟合,以达到精化局部大地水准面的目的。5.结束语雄安新区三等水准网点位布设合理、标石埋设规范、施测方法正确,各项成果指标满足规范及设计要求,测量标志保护工作也全面落实。该成果已经省级测绘产品质量监督检验站检验合格,已全面提供于雄安新区各规划建设单位使用。三等水准成果和即将完成的一等水准网将共同构成雄安新区的高程起算基准,为建设工程项目开工的定桩放线和竣工验收提供所必需的高程基准;完善了雄安新区测绘基准体系,为工程建设项目精准落地提供了便利可靠的三维空间定位信息1 1。未来可以实施城市原点以及似大地水准精化更好地完成新区的测绘基准建设。参考文献1陈继山.城市大地基准的现代化改造J.测绘与空间地理信息,2 0 1 2(1 2):1 6 3-1 6 5.2张鹤,张凤录,刘进.北京市控制测量的发展历史与现状J.北京测绘,2 0 0 9(0 4):1 1-1 3.3陈俊勇,党亚民,张鹏.建设我国现代化测绘基准体系的思考J.测绘通报,2 0 0 9(0 7):1-5.4张鹏,武军郦,孙占义.国家测绘基准体系基础设施建设J.测绘通报,2 0 1 5(1 0):9-1 1+3 7.5 城市规划学刊 编辑部.河北雄安新区规划纲要 的新理念、新技术、新方法学术笔谈J.城市规划学刊,2 0 1 8(3):1-1 8.6徐天.广东省航道高精度三维控制网建立方法与实现J.地理空间信息,2 0 1 4(0 4):1 1 1-1 1 3+1 1 9+1 1.7王兴.京沪高速铁路精密高程控制网的建立及精度分析J.测绘与空间地理信息,2 0 1 0(5):1 7 8-1 8 1.8赵永亮.区域现代测绘基准的统一性研究J.全球定位系统,2 0 1 6,0 4 1(0 0 1):6 6-6 8,8 0.9李红慧.精密水准测量在常武地区地面沉降监测中的应用J.测绘与空间地理信息,2 0 1 9(1 0):1 9 4-1 9 8.1 0曹强,郇英程,陈民坤.中间设站法三角高程测量代替三等水准测量探讨J.北京测绘,2 0 1 8,0 3 2(0 0 9):1 0 3 4-1 0 3 6.1 1赵军,王勇.株洲市2 0 0 0国家大地坐标联测及控制网的改造升级J.北京测绘,2 0 1 3(6):7 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