水平控制网的技术设计.ppt

第二章 水平控制网的技术设计,21 建立国家水平控制网的基本原理 22 建立工程水平控制网的基本原理 25 工程水平控制网技术设计 26 选点、建标和埋石,根据类型的不同，水平控制网分为国家水平控制网和工程水平控制网。 国家水平控制网是在全国范围内布设建立的控制网，由国家测绘局统一组织布建，等级分为一、二、三、四等。 国家一、二等控制网合称为天文大地网。国家控制网的建立属于大地测量学的范畴。 国家控制网的密度较稀，难以满足各城市或厂矿建设的需要。另一方面，在建立国家控制网时，投影面的选择也不可能兼顾全国各地的具体地理条件。 所以，在地级以上的城市和大、中型厂矿，一般需建立自己的平面控制网，即城市控制网或（厂）矿区控制网。此外，还有直接为某项建设工程（如水电站、公路、铁路、新建城镇以及较大规模的开发区等）专门布设的控制网。此类控制网统称为工程控制网。,工程水平控制网通常须与国家控制网联结（或相联系），即以两个或两个以上的国家控制点作为起算点。工程水平控制网的最高等级为二等。 工程水平控制网根据用途不同又可分为测图控制网和专用（施工、监测）控制网。 工程水平控制网的建立属于控制测量学的范畴。 本章先介绍国家水平控制网和工程水平控制网的布设方案和原则，然后介绍工程水平控制网技术设计书的编制以及选点、埋石方法。 教材第三、四节的内容将在课程设计中介绍。,21 建立国家水平控制网的基本原理,一、建立国家水平大地控制网的方法 （一）、水平（平面）控制网的布设形式 1. 三角网与三角测量 所有的控制点构成彼此相连的三角形网状，如下图。,用经纬仪测量出网中所有三角形的内角。当已知两个点的坐标，或已知一个点的坐标和一条边的长度（用测距仪或钢尺测距）与方位角（推算得到或用陀螺经纬仪测定），便可求算网中所有控制点的平面坐标（由正弦定理传递边长）。,坐标计算：,构建、测定三角网点的工作叫三角测量。 只有一套起算数据（两点，或一点加一边）的三角网叫独立网；多于一套起算数据的叫非独立网，又称附合网。,三角测量在过去（20世纪80年代以前）是平面控制测量的主要方法。过去已经建成、目前仍在使用的国家一、二、三、四等平面控制点基本上都是采用三角测量方法获得的。当时，高精度测边很难实现。 三角测量的观测量主要是水平角，边长观测很少，距离传递误差较大。 此外，三角网对相邻控制点之间的通视条件要求很高（多边形的中点须与多点通视），实地选点难度较大，一般只能位于高处（如山头或房顶），使用也不方便。 因此，在普遍应用全站仪和GPS定位技术的现代，城市控制测量和工程控制测量基本上不采用三角网。,2. 导线网与导线测量 导线：由若干条直线连成的折线。 布设控制点时，使点与点之间单线相连形成链状折线，测量出边长和角度之后便可逐点传递平面坐标。导线中的每一条直线叫导线边，相邻两直线之间的水平角叫做转折角，折线上的转折点叫导线点（控制点）。 选择、测定导线点平面坐标的工作叫导线测量。通过测量导线边长和转折角，再根据起算点及附合点的已知数据，可推算各边的坐标方位角，最后求出所有导线点的平面坐标。,导线的形式：附合导线、闭合导线、支导线和导线网。 导线网是由若干条附合导线和闭合导线构成的网状图形。 导线网包括：一个节点的导线网、两个以上节点的导线网和两个以上闭合环所组成的导线网等，如下图所示。,跟三角网比较，导线网的主要优点是点间通视条件容易满足，布设灵活、方便。在林区和城市建成区，导线的优势尤为明显。导线测量是现代控制测量的主要形式。 运用导线测量形式的前提条件是必须有光电测距仪或全站仪。,3、边角网和三边网 形状与测角三角网相类似，也是由若干三角形连接而成。 既测角又测边时叫边角网，只测边不测角时叫三边网或测边三角网。 与测角三角网一样，测边网和边角网目前也很少采用。 三角网、边角网和三边网统称为“三角形网”。,4. GPS控制网 利用GPS定位技术建立的测量控制网。 GPS是通过接收和解译人造卫星所发射的电波信号来确定测站点位置的测量定位系统，它是英文“Global Positioning System”(全球定位系统）的缩写。,GPS卫星,20200公里高度 6个轨道 24-27颗卫星,根据不同的用途，GPS网的基本形式有点连式、边连式、网连式和边点混合连接四种。图24所示的是前两种形式。,图中（a）、（b）为点连式，在两个基本图形（大地四边形或三角形）之间有一个重复观测的公共点相连；,（ c）、（d）为边连式，在两个基本图形之间有一条 重复观测的公共边相连。,显然，边连式的精度优于点连式，但速度稍慢。,布设GPS网时，应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分布均匀。同时应考虑与水准点相重合 ，或在网中布设一定密度的水准联测点。 GPS测量的特点是速度快、精度高、全天候，无需考虑点与点之间的通视情况。 但是，在建筑物内、地下、树下及狭窄的城区街道内不能使用。 “GPS原理及应用”作为一门单独的专业课开设。,5. 其它形式 除了三角测量、导线测量、 GPS测量等主要控制测量方法之外，还有一些其它方法可以运用，如：线形锁、大地四边形、前方交会、侧方交会、后方交会等传统方法，甚长基线干涉测量（VLBI，精度10-6）和惯性测量系统（INS，精度1-210-5）等现代定位技术。 （二）、高程控制网的布设形式 1、水准测量 等级有一、二、三、四等。路线布设形式以环形水准网为主，三、四等可布设闭合、附合水准路线。 2、电磁波测距三角高程测量（EDM测高） 对向观测时，可代替四等甚至三等水准；路线形式同样分闭合、附合及EDM测高网。 EDM测高主要用在山区。 3、GPS测高 似大地水准面精化之后，可代替四等甚至三等水准。,二、布设原则 国家水平控制网的布建是一项十分庞大的工程（历时20多年），因此必须遵循一定的原则。 1、分级布设、逐级控制 测量工作的原则之一是“精度上从高级到低级”。 国家网从一等到四等逐级进行控制，精度逐级降低，边长逐级缩短，密度逐级增大。 2、应有足够的精度 等级不同，精度不同。各等级观测成果必须达到国家三角测量和精密导线测量规范中规定的精度指标。主要内容见下表。,3、应有足够的密度 控制点的密度与用途有关。一般等级越低，密度越大。 国家一、二、三、四等网的平均边长分别为2025公里、13公里、8公里、4公里。 （国家网的平均边长比工程网略大。工程二、三、四等网的平均边长分别为9公里、5公里、2公里）,26,4、须统一规格 任务大、时间长、作业单位多，故须统一规格要求。 严格执行国家三角测量和精密导线测量规范。 三、布设方案 国家水平控制网采用三角网作为基本布网形式（仅青藏高原部分地区采用电磁波测距导线）。 国家三角网的布设分三级进行：一等锁、二等锁（网）和三、四等加密网。 1、一等三角锁布设方案 一等三角锁是国家大地控制网的骨架和基础，用以控制二等以下锁、网。 （三角锁由一系列三角形连接而成，形似锁链，故名三角锁）,一等三角锁大致沿经线和纬线布设成纵横交叉的三角锁系，锁段长200250km，构成许多锁环。 锁段由近于等边的单三角形组成。三角形边长为2025km（平原、山区不同），测角中误差小于0.7。 在锁段的交叉处均设置一条起算边。 起算边的长度用基线测量的方法测定（铟钢尺丈量）；在两端测定天文经纬度和天文方位角，观测精度非常高。经、纬度及天文方位角的测定中误差分别为0.02 、 0.3 和0.5 ,2、二等三角锁、网布设方案 二等三角锁、网以一等锁为框架进行布设。布设方法有以下两种： 1）60年代以前，采用二等基本锁加二等补充网的方法。 在一等锁环内，先布设纵横交叉的二等基本锁，将一等锁环分成大致相等的四个区域，然后在每个区域布设二等补充网。这种布网方案叫纵横锁系布网方案。 二等基本锁中的三角形平均边长为1520km，测角中误差为1.2；二等补充网中三角形平均边长为13km，测角中误差为2.5。,一等三角锁,二等基本锁,二等补充网,纵横锁系布网方案示意图,2）60年代以后，二等网以全面三角网的形式布设，即在一等锁环内直接布设二等全面网。这种方案叫全面布网方案。 二等全面网中三角形平均边长为13km，测角中误差为1.0。跟纵横锁系布网形式相比，全面网的精度显然更高些。,一等三角锁,二等全面网,3、三、四等三角网布设方案 三、四等三角网在一、二等控制网的基础上布设，边长短、密度大，以满足测图和施工需要。 三、四等三角网一般以“插网”方式布设，即以若干个高等级点为框架，在其间布设加密网，如下图所示。 布设加密网时，可逐级加密，也可越级加密。,当所需加密点较少时，也可采用插点的形式。,三、四等网的平均边长分别为8km和4km，测角中误差分别1.8和2.5 。,4、我国大地测量控制网基本情况简介 1）用常规方法（三角测量）建立的天文大地网 国家一、二等控制网合称为天文大地网。 我国天文大地网于1951年开始布设，60年代末基本完成，1975年修补测工作全部结束。 全网有4万8千多个大地控制点。平差工作于1982年结束，一等网方向观测中误差为0.46(相当于测角中误差为0.65）；离大地原点最远点的点位中误差为0.9m。整网平差采用两种方案独立进行：一是条件联系数法（相当于带有未知数的条件平差），二是附有条件的间接平差。两种方案平差结果基本一致。 以下二图分别为全国一、二等测量控制网示意图和广东省(含现在的海南省)的一等三角锁和二等基本三角锁的布设略图。,平面基准,全国天文大地网,全国天文大地网共包含三角点、导线点48433个, 长度起始边467条,由此组成了全国范围的参考框架,是国家各部门进行测绘工作的基础。,2）用现代方法（GPS测量）建立的大地控制网 用GPS技术建立起来的控制网叫GPS网。 GPS网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度的GPS网，一般分A级和B级（相当于一等和二等）；另一类是区域性（省、地、市）的GPS网，包括C、D、E三个级别。 我国从80年代中期开始应用GPS技术。1992年，国家测绘局、国家地震局等十多个部门联合组织了“EPOCH92”中国GPS大会战，建立了平均边长为800km、点位精度优于0.1m的国家A级网，全网共27个点，覆盖全国大部分地区。 “EPOCH92”中国GPS大会战使我国进入了应用高精度GPS控制网的“新纪元”。 1996年，我国对92A级网进行了改造，使控制点的数目增加到56个，新增点主要位于西部地区。 改造后的GPS网叫做“96GPS A级网 ”。,在A级网基础上，我国还建立了高精度的GPS B级网。 B级网共有2500多个点，边长为50150km不等，东部点位较密，西部较稀。点位中误差相对于已知点在水平方向优于0.07m，高程方向优于0.16m。 除了GPS A、B级网之外，我国还建有一些全国性的GPS控制网，如军测部门建立的“全国GPS一、二级网”，科研部门建立的“中国地壳运动观测网络”等。,22 建立工程水平控制网的基本原理,一、工程水平控制网的分类 测图控制网 施工控制网 变形观测专用控制网,二、布设原则 布设工程水平控制网时，也必须遵循跟国家水平控制网的布建大致相同的基本原则。 1、分级布设、逐级控制 通常先根据测区面积大小布设首级控制网，然后再根据具体工程需要加密若干级精度相对较低的控制网。 比如，某城市的首级控制网为二等，在二等网框架下可加密三（四）等网、5、10 小三角（或一、二、三级导线），其下还可加密一、二级图根。 首级工程水平控制网的等级最高为二等。测区面积较小时，二、三级导线也可作为首级控制。 2、应有足够的精度 一般而言，最低一级控制网的点位中误差须能满足1:500测图的需要，即点位精度达到5cm 。 事实上，规范给出的各级控制网都能满足这一要求，虽然低级网的相对精度较低，但由于边长较短，绝对精度并不低。,3、要有足够的密度 能满足测图或施工放样的需要。 4、要有统一的规格 各种工程水平控制网的观测成果均须符合城市测量规范或工程测量规范的要求。 表25、26为城市测量规范中的相关内容（工测规范的某些指标比城测规范 略低一些）。,表26,表25,三、布设方案 总体而言，工程水平控制网的布设方案比较灵活，既可以采用三角网，也可以采用电磁波测距导线网或GPS网。 （ GPS网的相关技术要求目前还没有写进城市测量规范或工程测量规范，暂按同等级的三角网或电磁波测距导线网的要求执行） 。 现代主要以导线网或GPS网为主。 表25、表26中规定的各等级控制网都可以作为测区的首级控制。由表可知，工程控制网的边长相对同级国家三角网而言显著缩短，而等级数更多。,布设工程控制网时，除须执行表25和表26的要求外，还应符合以下规定： 1）、对于三角网而言 首级网应布设成近似等边的三角形网（锁），三角形的内角不应小于30（当受地形限制时，不应小于25）； 首级网的起始边长须采用相应精度的光电测距仪测定。,2）、对于电磁波测距导线网而言 首级网应布设成多边形格网，加密网可布设成单线、单节点或多节点导线网； 导线边长应大致相等，相邻边长之比不宜超过3:1； 导线总长和平均边长可放宽至表26规定值的1.5倍； 当附合导线的边数超过12条时，相应的测角精度须提高一个等级。,表26,四、专用控制网的布设 专用控制网是指施工控制网和监测控制网，用途及精度要求都很明确。 专用控制网的布设方案比国家网和测图工程网都灵活，即可用三角网或导线网，也可采用混合网，只要能满足工程精度要求即可。 专用控制网的覆盖范围虽然不大，但等级往往很高。所以专用控制网也被称作“微型大地测量网”。 有关专用控制网的内容将在工程测量学及精密工程测量课程中详细介绍。,25 工程水平控制网技术设计,每一项控制测量任务都是一项工程，必须进行技术设计。（国家大地控制网已经完成，所以只讨论工程水平控制网的技术设计） 技术设计书是项目报批（政府项目）、投标（市场化项目）、验收和鉴定的重要技术文件，同时也是指导具体生产的纲领性文件。 技术设计的任务是：依据国家相关规范，结合任务要求和测区的具体情况，拟定控制网的布设方案、作业方法及技术标准等。,工程水平控制网技术设计书一般包括以下内容： 1）概况（目的、任务来源及范围、测区自然地理条件概述等） 2）测区已有资料利用情况 3）技术依据（列出所用到的规范、规程） 4）技术方案（布网方案、所用仪器、技术要求、作业方法及数据处理方法等） 5）实施计划（人员组织及工作进度等） 6）质量控制（质检机构、级次及方法等） 7）拟提交的成果资料（名称、形式、份数等） 8）主管（业务）部门的审批意见,工程水平控制网技术设计工作步骤 一、收集、分析资料 1、测区内各种比例尺地形图（一般以1:1万1:10万为宜）以及有关气象和地质等方面的资料； 2、测区已有控制测量资料，包括坐标系统、投影带、投影面、平面控制网图、水准路线图、点之记、成果表、技术总结报告等，对相关的控制点应现场踏勘，了解其现状； 3、测区总体规划和近期建设开发方面的资料（主要考虑控制网今后的扩展）； 4、测区行政区划归属、交通情况及生活便利状况（主要指食宿问题）； 5、对以上资料进行分析研究，以确定布网方案、制订工作计划。,二、图上设计 （一）、图上设计对点位的基本要求： 1、从技术指标方面考虑 图形结构良好，边长适中；点位要选在视野开阔、土质坚硬的地方，便于扩展加密低级网和长期保存；为减弱旁折光的影响，要求视线超越（或旁离）障碍物一定的距离。 2、从经济指标方面考虑 3、从安全生产方面考虑 点位应离开公路、铁路、高压电线等危险地带一定的距离。,（二）、图上设计的方法及主要步骤 1、在中比例地形图上找到（展绘）已知点； 2、按上述要求，从已知点开始扩展； 3、判断和检查所选控制点之间的通视情况； 4、估算控制网中各推算元素的精度； 5、对照规范和工程要求，评定图上设计结果，并进行设计方案的优化。 三、编写技术设计书 （前已述及。详细内容将在课程设计中介绍）,26 选点、建标和埋石,控制网的布设方案确定之后，如果项目获批，就应按计划选点、建标和埋石。 一、选点 将图上设计的控制点落实到实地。图上选定的点位只是初步的，一般须根据实际情况进行修改、变更。 选点时需带以下工具：望远镜、对讲机、钉锤、木桩、花杆、绘有控制网设计点位的地形图等。 选点时，先根据图上设计的控制点位置在实地找到大概位置，再按控制点选点要求，确定控制点的具体位置。点位确定后，打下木桩并绘“点之记”，便于日后寻找。,选点任务完成后，应提供下列资料： （1）选点图（控制网设计图的修正图）； （2）点之记（见图220）； （3）控制点一览表（含点名、等级、至邻点的概略方向和长度等）,图220,简易点之记,所谓“点之记”，就是点位的记录。像一张小小的地图，其上记有控制点的名称（或点号）、等级、标志类型、地点、方位以及与周围主要地物或自然地理环境的相互关系。主要用于寻找点位。,二、建标 在三角测量中，一个测站往往需观测多个相邻点。如果在每个目标点上都安排人员立标，则人工成本太高，而且在一个测站测完之后，立标人需轮动，时间浪费太