三工程控制网布设的理论与方法PPT课件

1 工程测量学 第三章工程控制网布设的理论与方法 2 2 第三章工程控制网布设的理论与方法 主要内容 工程控制网的作用和分类工程控制网的基准和建立方法工程控制网的质量准则工程控制网的优化设计典型工程控制网控制点的埋石与标志控制测量内外业一体化重点 工程控制网的质量准则 中国地质大学工程学院工程测量学 3 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 1测量控制网的分类重要概念 大地测量参考框架全球控制网国家控制网工程控制网 4 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 2工程控制网的分类 作用和建网步骤一 分类 1 按用途分 测图控制网施工 测量 控制网变形监测网安装 测量 控制网 5 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 2工程控制网的分类 作用和建网步骤一 分类 2 按网点性质分 一维网 或称水准网 高程网 二维网 或称平面网 三维网 6 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 2工程控制网的分类 作用和建网步骤一 分类 3 按网形分 三角网导线网混合网方格网 7 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 2工程控制网的分类 作用和建网步骤一 分类 4 按施测方法划分 测角网测边网边角网GPS网 8 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 2工程控制网的分类 作用和建网步骤一 分类 5 按坐标系和基准划分 附合网 约束网 具有多余的已知数据经典自由网 最小约束网 只有必要的已知数据自由网 无约束网 无必要的已知数据 9 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 2工程控制网的分类 作用和建网步骤一 分类 6 按其他标准划分 首级网加密网特殊网专用网 如隧道控制网 建筑方格网 桥梁控制网等 10 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 2工程控制网的分类 作用和建网步骤二 作用工程控制网具有控制全局 提供基准和控制测量误差积累的作用 三 建网步骤遵循大地测量学的原理 如 要有坐标系和基准要构成网要逐级布设等 11 控制网布设过程 确定控制网的等级 确定布网形式 确定测量仪器和操作规程 在图上选点构网 到实地踏勘 埋设标石 标志 外业观测 内业数据处理 提交成果 12 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 3测图控制网作用 控制测量误差的累积 保证图上内容的精度均匀 相邻图幅正确拼接 13 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 4施工控制网三角 边角网导线网建筑方格网GPS网GPS网与地面网相结合的混合网 14 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 4施工控制网特点 1 控制的范围较小 控制点的密度较大 精度要求较高 2 使用频繁 3 受施工干扰大 4 控制网的坐标系与施工坐标系一致 5 投影面与工程的平均高程面一致 6 有时分两级布网 次级网可能比首级网的精度高 15 为什么要建立施工控制网 施工控制网是为工程建筑物的施工放样布设的测量控制网 分为平面控制网和高程控制网 建立施工控制网的原因有以下两个 1 勘察设计阶段所布设的控制网 其精度与点位的密度是按满足测图的需要决定的 点位的分布也是出于测图方便考虑的 由此 测图控制网的精度和密度往往不能满足施工测量的要求 同时 测图控制网的点位 也很难完好地全部保留到施工阶段 2 施工中测设点的平面位置的基本方法是直角坐标法 采用直角坐标法要求控制网的纵 横轴线平行于建筑物的基本轴线 勘察设计阶段布设的控制网没有必要也不可能满足这样的要求 所以 施工之前要建立适合施工测量精度 密度要求 又能适宜直角坐标法放样的施工控制网 16 GPS桥梁施工控制网随着我国国民经济的飞速发展和科学技术水平的迅速提高 各种新型的特大跨径桥梁正不断地建设 构成我国现代交通网络的新格局 例如 南京长江第二大桥 是一座主跨625m的斜拉桥 目前国内主跨最长 世界第三的斜拉桥 正在修建的润扬长江公路大桥 其南汉为主跨1490m的悬索桥 其为同类桥梁中世界第一 准备建造的苏通长江大桥跨越6km以上的江面 将是我国跨越长江水面最大的第一特大型桥梁 这些新型桥梁的修建 对沟通大江南北 形成现代交通网络起着极为重要的作用 对国民经济可持续发展 具有十分重要的意义 在现代新型 大型的施工及运营管理中 都需要进行高精度的测量工作 因此 测量工作的精度对保证大桥施工建设的高质量 对保证大桥长久正常运营起着极为重要的作用 17 控制测量主要工作包括 1 在勘测设计阶段 为测绘桥址和隧道地表的大比例尺地形因而建立必要精度的测图控制网 2 在桥梁工程施工阶段 为施工建立必要精度的施工控制网 3 在桥梁工程竣工后 为了监测工程建筑物的变形 亦需提供变形观测控制网 以上三个阶段的任务 由于时间有先后 规模有大小 形式和精度要求也不相同 一般采用分别布网的方法 但布网的原则和方法是相仿的 GPS用于测图控制网的建立 在技术上已相当成熟 18 目前国内已有不少单位在研究采用GPS技术进行桥梁变形监测 桥梁施工控制网作为整个大桥建设的基础必须保证高精度与高可靠度 这种控制网的特点是 网点间边长较短 点位精度要求却甚高 过去一般采用常规的边角网 为了达到高精度与高可靠度 一是要考虑网形结构的优化 另外就是要花相当的工作量进行网的观测 特别随着桥梁的跨径越来越大 常规测量仪器在测程上也逐渐不能胜任 这就要求测绘工作者寻找新的工作方法 近年来 在越来越多的高速公路的兴建中 相继应用GPS定位技术来建立线路控制网 与常规测量方法相比 这项技术不仅显著提高了线路控制点的精度和可靠性 而且可大大提高速度及减少费用 这对于高速公路勘测设计和施工放样具有重大的现实意义 同样GPS用于桥梁控制网的建立也逐渐从最初的试验尝试到现在的普遍应用 取得越来越显著的成绩 如润扬长江公路大桥 南京长江第三大桥 苏通长江公路大桥 杭州湾跨海大桥等首级施工平面控制网的建立都采用了GPS技术 本节将以润扬大桥为例 说明GPS桥梁施工平面控制网的建立 19 润扬长江公路大桥施工控制网的建立实例 1 工程概况润扬长江公路大桥位于长江下游镇江市与扬州市之间 是连接长江南北的又一特大桥 地理位置位于东经119 19 119 28 北纬32 00 32 22 大桥南岸与镇江市连接 北岸与扬州市连接 中间跨越世业洲 由于南北两汉将测区分为三段 设计大桥由两部分组成 南汉桥设计桥型为悬索桥 主桥长1450m 主跨1450m 设计桥面高程为68 686m 北汉桥为斜拉桥 桥长758m 主跨为406m 两桥间在世业洲上以曲线高架桥连接 大桥全长为4778米 河海大学受设计单位的委托 承接润扬长江大桥首级施工控制网的建立工作 其中平面控制网采用GPS施测 要求最弱点点位中误差不大于5 0 桥轴线相对中误差不大于1 40000 整个工程分为几个阶段 设计大纲的编写与论证 外业选点与埋标 外业观测 内业数据处理以及技术总结报告的编写等 整个工程从1999年3月进场 1999年8月进行了GPS观测 2000年1月完成数据处理及资料整理工作 下面主要介绍几个关键技术 20 2 GPS网的布设1 GPS网形设计传统的平面控制网一般布设为测角网或边角网 一般以桥轴线为公共边布设成双三角形或双大地四边形 GPS网的精度从理论上讲与点位无关 与观测卫星的空间分布 接收信号的好坏 解算方法等有关 但考虑到目前常用的施工放样方法仍采用常规仪器 因此本次网形设计仍考虑到网形结构 经图上设计与现场踏勘 并考虑到润扬大桥的桥型 南北桥的首级施工平面控制网同时建立 布设成一个网 即外业观测 基线处理整个网统一完成 而坐标转换时 分别转换到各自的桥轴线坐标系 以满足桥梁设计与施工放样的需要 同时为了加强网的精度 便于以后利用常规仪器复测 控制网布设成以桥轴线为公共边的的双大地四边形形式 21 并根据需要在大地四边形的外侧增设了一个控制点 该大桥由南北汉桥和中间 世业洲上 曲线高架桥三部分组成一座完整的润扬长江公路大桥 因此在世业洲上又增设两点使之构成三部分连在一起的一个整体的桥位控制网 以确保大桥三部分高精度的衔接 全网共包含19个点 最大边长2034 3m 最小边长249 8m 平均边长1142m 见图 22 2 选点桥梁平面控制网建立的目的是为了满足设计精度要求 定出桥轴线的长度及具体墩位的定位放样 因此所建网的目的是用于施工放样 所以选点时须同时考虑GPS观测与施工放样的要求 必须遵循以下原则 根据GPS观测要求 要减弱干扰 保证卫星信号的正常接收 确保观测质量 控制点要布设在四周开阔 在地面大于15 的范围内不得有障碍物 同时要减少多路径效应 控制点周围不得有强反射面 尽量避开高压线 由于所建控制网的目的是为大桥的施工放样服务 而施工放样目前所采用的仪器为常规测量仪器 因此仍需保证GPS点至少有两点直接通视 同时考虑到放样点与直接通视的GPS点构成的图形强度要好 为了提高网点的精度与可靠度 不允许出现支点 选点时应根据桥位准确估计施工区范围 控制点应尽量避开施工区 减少施工时网点的破坏 点位需布设在稳固且宜长期保存处 3 埋标为了提高平面控制的精度 减少对中误差 方便施工放样 对于平面控制点建立强制对中的钢筋混凝土观测墩 观测墩顶部埋设不锈钢强制对中基盘 23 3 GPS观测1 GPS观测要求平面控制测量采用三台由ASHTECH公司生产的Z 12型GPS接收机进行观测 并配备抗干扰良好的扼颈圈天线 观测前利用WINPRISM软件 编制测区卫星可见性预报表 卫星出现的方位等 结合观测要求 重复设站数 各点的周围环境 交通状况等制定详细的工作计划 工作日程 人员调度表 观测要求一览表等 平均每天观测4 5个时段 共进行了9天观测 38个时段 其中10 为夜间观测 平均重复设站次数为4次 为了提高GPS基线解算的精度 在其中一个点上作了8小时的观测 并与上海天文台余山基准站进行联测 以求得该点较精确的单点位置 作业方式采用静态相对定位模式 为了保证外业观测数据的质量 对GPS观测进行了严格控制 主要采取了以下措施 观测要求 卫星高度角多15 有效观测卫星个数 5 采样间隔为20s GDOP 4 观测时间为120分钟 为消除相位中心偏差对测量结果的影响 安置天线时用罗盘定向使天线指北线严格指向北方 24 为了削弱电离层的影响 有4个时段在夜间进行观测 对讲机通话时远离站点 测前测后均精确量测天线高 认真核对 记入观测手簿 对每天的观测数据及时进行处理 及时统计同步环与异步环的闭合差 对超限的基线及时分析并重测 2 联测为了控制大桥两端与线路连接 应使桥梁控制网与两端线路所采用的坐标系一致 为此选取均匀分布在控制网不同部分的4个D级点进行联测 作为桥梁控制网转换为国家坐标系的起算点与校核点 联测点观测时采用经检校的光学对中器进行对中 并用天线杆从三个不同方向量测天线高 联测点重复设站次数为2 与其它施工控制点构成同步环与异步环 3 边长观测为了确定GPS网的尺度及对其进行检核 选择网中12条基线采用标称精度为1mm十1PPm S的TCA2003全站仪进行对向观测 并进行气象改正 换算至墩面间斜距 观测的基线与GPS观测的基线进行了比较 结果显示二者相差最大值为3 6mm 25 4 GPS内业处理1 GPS外业观测值的质量评定为提高GPS测量的精度与可靠度 基线解算结束后 应及时计算同步环闭合差 非同步环闭合差以及重复边的检查计算 各环闭合差应符合规范要求 同步环 同步环坐标分量及全长相对闭合差不得超过2ppm与3ppm 非同步环 非同步环闭合差 26 根据该网的精度要求 仪器标称精度为5mm十1PPm S D为平均边长 n为独立环中的边数 5 12mm 则重复基线的长度差规定不得超过14 5mm 将每天的观测数据利用 ReceiverControllerSoftware 软件下载到计算机内 然后利用WINPRISM软件进行基线解算 外业基线解算采用广播星历 相位观测值双差分技术 解算时数据采用率达99 以上 每条基线都得到了固定解 表示精度的残差 RMS 均远远小于0 01 满足规范规定的要求 表示固定解可靠程度因子 Ratio 除少数几个为99左右 均为100 即固定解可靠度为100 本次共观测同步环41个 经计算坐标分量闭合差与环线闭合差均满足限差要求 坐标分量闭合差最大为1 407ppm 环线闭合差最大为2 192ppm 满足限差要求 小于l 2环线闭合差限差的同步环占92 统计三角形异步环53个 均满足限差要求 坐标分量闭合差不大于 17 7mm 全长闭合差不大于 30 7mm 异步环坐标分量闭合差最大为17M 小于1 2坐标分量闭合差限差的闭合环占85 环线闭合差最大为26M 共观测重复基线41条 均满足限差要求 重复基线边长之差最大为7mm 最小为0 0mm 小于1 2限差的重复基线占100 由此可见整个GPS外业观测的质量是很好的 27 2 GPS控制网的数据处理首先对单点定位点进行解算 利用从上海天文台下载的精密星历进行基线解算 联测基线长212km 其单点定位解点位中误差为土0 1756m 以该点的单点定位解作为已知点 利用WINPRISM软件及精密星历解算所有基线 然后利用同济大学研制的TGPPS软件包进行GPS网的平差 投影与转换 GPS无约束平差首先在WGS一84坐标系进行GPS网的三维无约束平差 再在高斯平面上进行平移 旋转变换 使GPS各网点纳入不同的坐标系 无约束平差选取ZY901作为三维平差的基准点 其坐标采用单点定位的坐标值 对全网进行三维无约束平差 得出各GI S点的大地坐标信息 其单位权中误差为土0 2134mm 观测值各坐标分量改正数均不大于3 即说明该GPS网的内部符合精度较好 外业观测成果可靠 另外将平差后的部分基线与全站仪测量的距离进行比较 GPS边长相对于全站仪边长存在很小的尺度差 桥轴线相对精度很高 达到1 106万 远远高于所要求的桥轴线精度 1 40万 28 坐标转换与约束平差为了满足大桥不同部分的需要 需将三维平差后的平面控制点成果 大地坐标 转换为北京1954坐标系坐标 便于引桥与路的连接 和桥轴坐标系坐标 主要为大桥的施工提供放样基准 转换为1954北京坐标系坐标 取3个联测点作为坐标转换的基准点 以控制GPS网的尺度与方位 进行GPS网的约束平差计算结果显示其最弱点的点位中误差为土3 7mm 满足最弱点点位中误差土5mm的要求 桥轴线长度相对中误差分别为1 145万与1 59万 与此垂直 其正向指向长江上游方向 给定一点的坐标如取轴线上某点的坐标固定 并固定桥轴线的方位角为0 边长归算面为测区平均墩面 进行平差 3 运用GPS作施工控制网的结论由此可见 利用GPS建立桥梁控制网无论从时间上还是从精度上 其效果都是显而易见的 另外 利用GPS技术监测大桥的运营 监测大桥受风等荷载影响的振动等已在很多大桥中获得成功应用 相信GPS在桥梁方面的应用会有更加广阔的前景 29 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 5变形监测网要点 变形监测网由参考点和目标点组成 变形监测网的坐标系和基准的选取原则 对变形监测网应作同时顾及精度 可靠性 灵敏度以及费用进行监测网的优化设计 对变形监测网都要进行重复观测 30 3 1工程控制网的分类和作用 3 1 6安装测量控制网特点 通常是一种微型边角网 边长从几米至一百多米 整个网由形状相同 大小相等的基本图形组成 精度要求很高 其测量精度有时要达到计量级 31 3 2工程控制网的基准和建立方法 3 2 1工程控制网的基准 1 约束网 具有多余的已知数据 2 最小约束网 经典自由网 只有必要的已知数据 3 无约束网 自由网 无必要的已知数据 32 3 2工程控制网的基准和建立方法 表3 1各种工程控制网的基准秩亏和基准参数 33 3 2工程控制网的基准和建立方法 3 2 2工程控制网基准的建立方法测图控制网多为约束网 总是选国家或城市坐标系 含平面和高程 下的已知点坐标为其基准 在一个平差模型中 若已知点坐标数多于基准秩亏数 这种平差称为约束网平差 由于已知点的坐标不改变 这种约束引起网的形状和比例尺发生变化 因此 应当对已知点的坐标进行检验 需要注意的是 往往会过高地估计约束网平差的精度 约束网平差的误差椭圆比全自由网平差的误差椭圆要小 34 3 3工程控制网的质量准则 精度准则可靠性准则灵敏度准则费用准则 35 3 3工程控制网的质量准则 3 3 1 1精度准则一 总体精度准则 36 1 2工程测量学的内容 1 2 3工程测量学的内容 37 3 3工程控制网的质量准则 3 3 1 1精度准则二 点位精度和相对点位精度三 未知数函数的精度四 主分量五 准则矩阵 38 3 3工程控制网的质量准则 3 3 1 2可靠性准则定义 控制网发现 或探测 观测值粗差的能力 称内部可靠性 和抵抗观测值粗差对平差结果影响的能力 称外部可靠性 作用 可靠性准则可以提供衡量控制网内部观测值相互控制 检核的量化数值和可能出现但不能被发现的最大模型误差值 39 3 3工程控制网的质量准则 提高实现质量的办法 对网进行第二次独立观测 复测 布网时事先考虑用独立的附加观测值来控制网的结构 较常用 40 3 3工程控制网的质量准则 内部可靠性内部可靠性是假设控制网中只有一个观测值包含粗差且观测值粗差主要由某种系统性影响或点的变动所引起的假设情况下导出的 41 3 3工程控制网的质量准则 为矩阵主对角线上的元素 42 3 3工程控制网的质量准则 称为观测值的多余观测分量 定义为观测值的内部可靠性 反映控制网发现观测值中粗差的能力 愈大 通过统计检验 能发现该观测值中粗差的下界值愈小 43 3 3工程控制网的质量准则 多余观测分量的特点 1 0 1 2 观测值的内部可靠性与其精度成反比 对于一个确定的网和设计方案 观测值的精度愈高 则其可靠性愈低 愈不可靠 观测值的精度愈低 愈可靠 3 多余观测数愈大 网的可靠性愈高 建网费用也愈高 4 对于独立网来说 观测值的内部可靠性是与基准的位置无关的不变量 5 一个好的控制网 观测值的多余观测分量应大于0 3 44 3 3工程控制网的质量准则 外部可靠性未被发现的模型误差对于点位坐标或其函数的影响具有更大意义 对于观测值中只含一个粗差的情形 未被发现的粗差对未知数向量的影响可表为 45 3 3工程控制网的质量准则 3 3 1 3灵敏度准则仅对变形监测网而言 定义为在给显著水平和检验功效下 周期平差结果统计检验时 能发现位移向量的下界值 灵敏度是一个相对概念 即对于不同的变形向量具有不同的下界值 一般将变形向量用表示其大小的模a和表示其方向的单位向量g来表示 即d d g ag灵敏度用 来度量 它与单位向量g 又称形式向量 有关 愈小 灵敏度愈高 46 3 3工程控制网的质量准则 在变形监测网设计中 除考虑精度 可靠性和费用等准则外 要求所布设的网对需要监测的变形向量具有尽可能高的灵敏度 灵敏度实质上是特殊方向上的网点精度的反映 网的灵敏度愈高 所要求的观测值的精度也愈高 47 3 3工程控制网的质量准则 3 3 1 4费用准则 控制网的费用一般包括用于设计 造标埋石 交通运输 仪器设备购置 观测 计算 检查等各项费用 网的设计有两个原则 最大原则 费用一定 网的质量最好 最小原则 质量满足要求 费用最小 建网费用常用观测值权的函数来度量 如 48 3 3工程控制网的质量准则 即用观测值的权的总和最小作为费用准则 据统计 网的测量费用于网的计算费用相比 后者不到8 通过优化设计 增加微不足道的设计计算费用 可显著降低测量费用 不难理解 精度愈高 观测值的权愈大 则建网费用愈高 同样 多余观测数愈多 网的可靠性提高 也要以增加费用为代价 49 3 3工程控制网的质量准则 50 3 4工程控制网的优化设计 工程控制网的优化设计分类优化设计的任务工程控制网的优化设计方法模拟法优化设计 51 3 4工程控制网的优化设计 工程控制网的优化设计一般分为四类 各类设计的含义列于下表 上述分类只是从概念上去理解 网的设计不一定完全按此思路 常常是几类设计同步进行 52 3 4工程控制网的优化设计 网的优化设计是一个迭代求解过程 它包括以下内容 参见图3 2 提出设计任务 制定设计方案 进行方案评价 进行方案优化 53 3 4工程控制网的优化设计 图3 2控制网优化的内容和流程 54 3 4工程控制网的优化设计 网的优化设计方法有两种 解析法 通过数学方程用最优化方法求解 模拟法 根据经验和准则 通过计算比较 修改 得到最优方案 55 3 4 3工程控制网的优化设计方法 3 4 3 1解析法优化设计 56 3 4 3工程控制网的优化设计方法 3 4 3 2模拟法优化设计1 模拟法优化设计过程 设计网形 实地踏勘 定初始方案 模拟观测值 网平差 观测修改 再作模拟计算 重复进行 直到满意 人机交互方式进行 57 3 4 3工程控制网的优化设计方法 3 4 3 2模拟法优化设计2 基于可靠性的模拟优化设计法要点和步骤 1 网的初始方案