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【摘 要】 随着电子技术的日益革新，在工程控制网的建立过程中，传统的三角网作业方式已经逐渐被全球定位系统所代替。GPS因其不可比拟的技术优势，迅速成为在测绘作业中各级工程控制网建立的主要方式。但是在某些特定的控制网建立作业中，仅仅依靠全站仪三角网测量或者是静态GPS测量都是无法单独完成的。本文结合具体的工程实例，介绍如何利用传统的三角网测量结合静态GPS测量的方法进行大坝安全监测的平面控制网的建立。
【关键词】 全站仪；GPS；大坝监测；平面控制网
一、引言
变形监测网是在工程建设和运营阶段，仪服务工程对象变形监测为目的而建立的工程控制网。
工程控制网的建立过程：1）设计，根据工程特点确定控制网的布设和观测方案；2）选点埋石，按照布设方案实地选定点位，埋设标石，制作点之记；3）观测，按照观测方案进行观测，并对观测数据进行概算；4）平差计算，控制网平差计算，并评定成果精度。
变形体的范围较大而且形状不规则时，可基于国家坐标系布设成附合网或者独立网；对于具有明显结构性特征的变形体，最好基于独立坐标系布设成独立网。变形监测网尽量一次布网，也可将参考点（含基准点和工作基点）一起布设成基准网，再将工作基点和变形观测点一起布设成监测网。平面控制网通常采用GPS网、导线网、三角网形式布设，变形监测网还要求有高可靠性和高灵敏度。平面控制网测量数据处理的工作内容包括求定坐标未知数的最佳估值，评定总体精度、点位精度、相对点位精度以及未知数函数精度等。
GPS测量数据处理一般利用数据后处理软件，按照观测数据预处理、平差计算和转换的过程完成。数据预处理工作包括统一数据文件格式，观测数据平滑、滤波，卫星轨道标准化，探测周期、修复载波相位观测值，对观测值进行各项必要的改正。平差计算包括基线向量解算，无约束平差，坐标系统转换或与地面网联合平差等。边角测量数据处理可以采用条件平差、间接平差等经典方法。
二、工程实例
1.工程概况
为监测某水利枢纽工程近坝区及岸坡的稳定，校核两个倒垂线锚固点和视准线工作基点的稳定性，建立坝区平面监测网。在土石坝及混凝土坝段坝体上分别布设若干基准点及工作基点，为监测近坝区变形，在相距大坝下游500m和1000m两岸各设一个测点，以上共计16个基准点，编号为TN01～TN16，联测两个已知点，组成近坝区水平位移控制网，采用GPS和全站仪进行测量。
2、控制网建立的技术设计
2.1技术指标
平面坐标系统：采用1954年北京坐标系。
平面控制网测量精度等级：
三角测量精度要求：测角中误差≤1"，测边相对中误差≤1/250000，最弱边边长相对中误差≤1/120000，三角形最大闭合差≤3.5"；GPS測量精度要求：固定误差A≤10mm，比例误差系数B≤2mm/km，约束点间的边长相对中误差≤1/250000，约束平差后最弱边相对中误差≤1/120000。
2.2网形设计
2.3基准墩建造
3、外业测量
本次测量控制网的外业观测，采用南方GPS接收机静态和徕卡TS30全站仪进行配合测量。
（1）据现场测量需要全部或部分控制采用4台以上双频GPS接收机同时进行观测，观测过程中按下列要求进行：
a、采用静态定位方法，观测前，根据卫星可见性预报，考虑到施测时卫星状况，选择有利的观测时间，并在作业中及时调整，保证同步观测同一组卫星。
b、GPS接收机在开始观测前，进行了预热和静置。
c、每点观测时，详细做好野外记录，如点号、点名、采集仪天线高、开关机时间及同步观测点号等内容。
d、一个时段观测过程中不得进行以下操作：关机又重开、改变卫星高度角、改变采样间隔、改变天线的位置、关闭或删除文件。
e、不在接收机旁使用对讲机，防止其他人或物体靠近采集仪天线，遮挡卫星信号。
f、采用静态定位方法，观测前，根据卫星可见性预报表，编制观测调度表，考虑到施测时卫星状况，选择有利观测时间，作业中可及时调整调度计划。
g、作业时主要技术要求如下：
卫星截止高度角≥15°
同时观测有效卫星总数≥5
重复观测时段数≥2
采样时间间隔：10-30S
观测时段长度≥240Min
h、详细做好野外记录，如点号、点名、仪器高、开关机时间及同步观测点号，上机数据处理前严格较对。
（2）对于通视的点采用徕卡TS30全站仪进行边角网测量，外业观测仪器采用强制对中，并按国家二等控制网要求进行施测，具体如下：
测角：水平角采用全圆方向观测法用测4测回，各方向值取4测回的平均值；三角形的最大闭合差为3.5〞，半测回归零差为6〞，一测回中2C互差为9〞，上下测回角的误差为2.5〞，同一方向值各测回较差为6〞，测角读数精确到0.1″，测角中误差为1〞。垂直角用全站仪测2测回，测角读数精确到1″
测边：用全站仪测量，边长正倒镜各三测回（测回间重新照准），为了减少系统误差，边长往返观测，距离读数精确到0.1mm。一测回读数较差为≤5mm，单程各测回较差为≤7mm。往返测量较差≤2（a+b·D）mm。在测距的同时测定仪器高温度、气压、相对湿度，仪器高精确到1mm、温度精确到0.1℃、相对湿度精确到1%，气压精确到50Pa。每测回的斜距进行气象、加常数、倾斜、规化等改正得到该边的最终水平距离观测值。
4、数据处理
（1）GPS静态观测的点，外业测量完毕后，利用专业数据处理程序进行处理，看各项指标是否达到要求，若达不到要求及时分析原因并重测，直至达到要求后才进行严密平差处理，获得最终的测量成果。 GPS网数据处理采用南方测绘GNSS数据处理软件进行处理，GPS网数据处理过程为：基线解算、无约束平差、二维约束平差与转换参数计算4个步骤。在进行GPS网数据处理时：
（1）每天观测完成后及时进行了基线处理。
（2）整个GPS网中构成异步环的坐标分量闭合差和全长闭合差符合下式的规定：
（3）当各项质量检验符合要求后，进行GPS网的三维自由网平差。三维自由网平差提供各控制点在WGS-84系下的三维坐标，各基线向量三个坐标差观测值的总改正数，基线边长以及点位和边长的精度信息。在三维自由网平差的基础上，在本测区的坐标系内进行二维约束平差。
（2）采用TS30测量，外业工作完毕后，再次检查测量数据的各项限差以是否满足规范的要求，原始数据记录正确与否，利用专业数据处理程序计算三角形闭合差、边长测量误差、测角中误差和点位误差是否达到要求，若达不到要求及时分析原因并重测，直至达到要求后才进行严密平差处理，得出最终的平面控制测量成果。计算结果取0.1mm。
根据平面网图及观测资料分析，控制网共由26个三角形组成，三角形最大内角闭合差为-3.39″，最小为0.05″。由三角网内角闭合差分析出平差前测角中误差为1.17″。
（3）数据整体平差
把GPS測量数据和TS30测量获得的数据结合在一起进行整体平差，得出最终符合二等精度的测量结果。
平面控制网测量的数据使用软件平差。经平差，平均点位误差为0.0024m，测距往返测单位权中误差为0.0006m，满足设计要求。
三、结语
1）利用全站仪结合GPS的方法成功完成了该水利枢纽工程大坝安全监测平面控制网的建立；
2）一般情况下，都是用全站仪测量检核GPS测量的边长、角度；在网形较差的时候，受设计点位的限制，要使用GPS测量的数据来辅助检核全站仪测量的数据，实践证明，在实际测量工作中，这种检核方法是可行的。
3）用GPS静态定位技术在平面控制网建立的过程中可以替代常规测量的方法，并且最终能够得到较高精度的测量成果。
参考文献：
[1]王建忠，GPS静态定位技术在测量控制网建立中的应用，山西建筑，2009.5，第14期；
[2]邱泽华，某工程测量控制网的建设及精度分析，中国锰业，2006.8，第三期；
[3]狄钢，郑州轨道交通2号线GPS控制网建立及其精度分析，铁道勘察，2011年第2期；
[4]周维兴，试论变形监测控制网建立的若干技术问题，江西水利科技，2000.6，第2期；
[5]徐涛，浅谈南水北调中控制水准网及平面控制网测量，山西建筑，2008.8第22期。
【关键词】 全站仪；GPS；大坝监测；平面控制网
一、引言
变形监测网是在工程建设和运营阶段，仪服务工程对象变形监测为目的而建立的工程控制网。
工程控制网的建立过程：1）设计，根据工程特点确定控制网的布设和观测方案；2）选点埋石，按照布设方案实地选定点位，埋设标石，制作点之记；3）观测，按照观测方案进行观测，并对观测数据进行概算；4）平差计算，控制网平差计算，并评定成果精度。
变形体的范围较大而且形状不规则时，可基于国家坐标系布设成附合网或者独立网；对于具有明显结构性特征的变形体，最好基于独立坐标系布设成独立网。变形监测网尽量一次布网，也可将参考点（含基准点和工作基点）一起布设成基准网，再将工作基点和变形观测点一起布设成监测网。平面控制网通常采用GPS网、导线网、三角网形式布设，变形监测网还要求有高可靠性和高灵敏度。平面控制网测量数据处理的工作内容包括求定坐标未知数的最佳估值，评定总体精度、点位精度、相对点位精度以及未知数函数精度等。
GPS测量数据处理一般利用数据后处理软件，按照观测数据预处理、平差计算和转换的过程完成。数据预处理工作包括统一数据文件格式，观测数据平滑、滤波，卫星轨道标准化，探测周期、修复载波相位观测值，对观测值进行各项必要的改正。平差计算包括基线向量解算，无约束平差，坐标系统转换或与地面网联合平差等。边角测量数据处理可以采用条件平差、间接平差等经典方法。
二、工程实例
1.工程概况
为监测某水利枢纽工程近坝区及岸坡的稳定，校核两个倒垂线锚固点和视准线工作基点的稳定性，建立坝区平面监测网。在土石坝及混凝土坝段坝体上分别布设若干基准点及工作基点，为监测近坝区变形，在相距大坝下游500m和1000m两岸各设一个测点，以上共计16个基准点，编号为TN01～TN16，联测两个已知点，组成近坝区水平位移控制网，采用GPS和全站仪进行测量。
2、控制网建立的技术设计
2.1技术指标
平面坐标系统：采用1954年北京坐标系。
平面控制网测量精度等级：
三角测量精度要求：测角中误差≤1"，测边相对中误差≤1/250000，最弱边边长相对中误差≤1/120000，三角形最大闭合差≤3.5"；GPS測量精度要求：固定误差A≤10mm，比例误差系数B≤2mm/km，约束点间的边长相对中误差≤1/250000，约束平差后最弱边相对中误差≤1/120000。
2.2网形设计
2.3基准墩建造
3、外业测量
本次测量控制网的外业观测，采用南方GPS接收机静态和徕卡TS30全站仪进行配合测量。
（1）据现场测量需要全部或部分控制采用4台以上双频GPS接收机同时进行观测，观测过程中按下列要求进行：
a、采用静态定位方法，观测前，根据卫星可见性预报，考虑到施测时卫星状况，选择有利的观测时间，并在作业中及时调整，保证同步观测同一组卫星。
b、GPS接收机在开始观测前，进行了预热和静置。
c、每点观测时，详细做好野外记录，如点号、点名、采集仪天线高、开关机时间及同步观测点号等内容。
d、一个时段观测过程中不得进行以下操作：关机又重开、改变卫星高度角、改变采样间隔、改变天线的位置、关闭或删除文件。
e、不在接收机旁使用对讲机，防止其他人或物体靠近采集仪天线，遮挡卫星信号。
f、采用静态定位方法，观测前，根据卫星可见性预报表，编制观测调度表，考虑到施测时卫星状况，选择有利观测时间，作业中可及时调整调度计划。
g、作业时主要技术要求如下：
卫星截止高度角≥15°
同时观测有效卫星总数≥5
重复观测时段数≥2
采样时间间隔：10-30S
观测时段长度≥240Min
h、详细做好野外记录，如点号、点名、仪器高、开关机时间及同步观测点号，上机数据处理前严格较对。
（2）对于通视的点采用徕卡TS30全站仪进行边角网测量，外业观测仪器采用强制对中，并按国家二等控制网要求进行施测，具体如下：
测角：水平角采用全圆方向观测法用测4测回，各方向值取4测回的平均值；三角形的最大闭合差为3.5〞，半测回归零差为6〞，一测回中2C互差为9〞，上下测回角的误差为2.5〞，同一方向值各测回较差为6〞，测角读数精确到0.1″，测角中误差为1〞。垂直角用全站仪测2测回，测角读数精确到1″
测边：用全站仪测量，边长正倒镜各三测回（测回间重新照准），为了减少系统误差，边长往返观测，距离读数精确到0.1mm。一测回读数较差为≤5mm，单程各测回较差为≤7mm。往返测量较差≤2（a+b·D）mm。在测距的同时测定仪器高温度、气压、相对湿度，仪器高精确到1mm、温度精确到0.1℃、相对湿度精确到1%，气压精确到50Pa。每测回的斜距进行气象、加常数、倾斜、规化等改正得到该边的最终水平距离观测值。
4、数据处理
（1）GPS静态观测的点，外业测量完毕后，利用专业数据处理程序进行处理，看各项指标是否达到要求，若达不到要求及时分析原因并重测，直至达到要求后才进行严密平差处理，获得最终的测量成果。 GPS网数据处理采用南方测绘GNSS数据处理软件进行处理，GPS网数据处理过程为：基线解算、无约束平差、二维约束平差与转换参数计算4个步骤。在进行GPS网数据处理时：
（1）每天观测完成后及时进行了基线处理。
（2）整个GPS网中构成异步环的坐标分量闭合差和全长闭合差符合下式的规定：
（3）当各项质量检验符合要求后，进行GPS网的三维自由网平差。三维自由网平差提供各控制点在WGS-84系下的三维坐标，各基线向量三个坐标差观测值的总改正数，基线边长以及点位和边长的精度信息。在三维自由网平差的基础上，在本测区的坐标系内进行二维约束平差。
（2）采用TS30测量，外业工作完毕后，再次检查测量数据的各项限差以是否满足规范的要求，原始数据记录正确与否，利用专业数据处理程序计算三角形闭合差、边长测量误差、测角中误差和点位误差是否达到要求，若达不到要求及时分析原因并重测，直至达到要求后才进行严密平差处理，得出最终的平面控制测量成果。计算结果取0.1mm。
根据平面网图及观测资料分析，控制网共由26个三角形组成，三角形最大内角闭合差为-3.39″，最小为0.05″。由三角网内角闭合差分析出平差前测角中误差为1.17″。
（3）数据整体平差
把GPS測量数据和TS30测量获得的数据结合在一起进行整体平差，得出最终符合二等精度的测量结果。
平面控制网测量的数据使用软件平差。经平差，平均点位误差为0.0024m，测距往返测单位权中误差为0.0006m，满足设计要求。
三、结语
1）利用全站仪结合GPS的方法成功完成了该水利枢纽工程大坝安全监测平面控制网的建立；
2）一般情况下，都是用全站仪测量检核GPS测量的边长、角度；在网形较差的时候，受设计点位的限制，要使用GPS测量的数据来辅助检核全站仪测量的数据，实践证明，在实际测量工作中，这种检核方法是可行的。
3）用GPS静态定位技术在平面控制网建立的过程中可以替代常规测量的方法，并且最终能够得到较高精度的测量成果。
参考文献：
[1]王建忠，GPS静态定位技术在测量控制网建立中的应用，山西建筑，2009.5，第14期；
[2]邱泽华，某工程测量控制网的建设及精度分析，中国锰业，2006.8，第三期；
[3]狄钢，郑州轨道交通2号线GPS控制网建立及其精度分析，铁道勘察，2011年第2期；
[4]周维兴，试论变形监测控制网建立的若干技术问题，江西水利科技，2000.6，第2期；
[5]徐涛，浅谈南水北调中控制水准网及平面控制网测量，山西建筑，2008.8第22期。