Leica GNSS應(yīng)用外海域跨海工程高程傳遞法測量技術(shù)研究
發(fā)布日期：2020-09-01
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一、引言
港珠澳大橋島隧工程遠離大陸，深水基床整平高程±40mm的高程精度需求使首級高程控制網(wǎng)精度達到13mm（40mm的1/3）的水平。因此，高程控制點需采用國家二等水準精度跨海高程傳遞才能滿足上述高程精度需求。在離海岸線約9km的水域區(qū)進行高精度高程傳遞則是一項巨大挑戰(zhàn)，對長度超過3.5km以上的情況國家相關(guān)測量規(guī)范中均無具體作業(yè)規(guī)定，必須根據(jù)工程需要專門進行研究。目前跨海（河）高程基準傳遞的方法通常有四種：靜力水準法[1]、動力水準法[2]、GNSS高程傳遞法及常規(guī)大地測量法。根據(jù)港珠澳大橋島隧工程施工要求及工期計劃安排，對GNSS高程傳遞法實現(xiàn)外海域跨海工程高程精密傳遞展開研究和應(yīng)用。
二、GNSS高程傳遞原理
近十年來，GNSS定位技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，GNSS精密大地高程測定精度可達到毫米級，為采用精密GNSS定位技術(shù)進行跨海水準測量具備了理論上的前提條件。
利用全球定位系統(tǒng)（GNSS）可以精確精度確定出點位的大地高，它與水準高相差一個大地水準面高。因而只要求得高精度的大地水準面高相對差異，可由下式（1）便能求得精確的水準高差：
其中H為大地高，N為大地水準面差距，ζ為高程異常。
同時，根據(jù)以上關(guān)系，不同的GNSS水準點之間有下式（2）：
式中ΔＨ為大地高差，Δｈ為水準高差，ΔＮ為大地水準面高差，Δζ為高程異常之差。
由于區(qū)域大地水準面變化的不規(guī)則性，通常情況下不平行于參考橢球面，不同GNSS水準點之間高程異常差值是不相同的；但另一方面，對于較長距離的跨海高程傳遞（距離范圍5－20km），可以認為局部區(qū)域高程異常具有相關(guān)性。據(jù)此可以通過海域兩邊已知GNSS水準點間的高程異常變化，采用相對簡單的大地水準面模型對區(qū)域大地水準面變化情況進行擬合，從而求得跨越海域的GNSS水準點之間的高程異常差值及正常高高差。
三、似大地水準面數(shù)學(xué)模型
GNSS水準法已在很多工程實踐中得到應(yīng)用，各種高程異常差值擬合模型不斷被提出，如二次曲線擬合法、二次曲面擬合法、多面函數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機等。目前，如何建立精確高程異常模型，提高長距離高程傳遞精度，是GNSS高程傳遞的重點研究方向。似大地水準面計算的數(shù)學(xué)模型由Faye異常計算高程異常的表達式為下式（3）：
這里
是似地形表面上的正常重力, 
（以公里為單位）可由下式（4）計算：
四、港珠澳大橋島隧工程的GNSS高程傳遞實施
4.1 GNSS高程傳遞布網(wǎng)
確定跨海高程傳遞[3]兩岸合理的GNSS點數(shù)目及分布是GNSS高程傳遞方法需要考慮的重要因素之一。GNSS水準點數(shù)目及分布必須首先滿足GNSS水準點間大地高的傳遞精度和跨海GNSS水準點間正常高高差擬合精度，其次還應(yīng)顧及實際跨海場地條件的易于選取性，在滿足精度要求的情況下盡可能選取較少的GNSS水準點數(shù)目，以達到提高作業(yè)效率的目的。高程傳遞網(wǎng)采用港珠澳大橋首級控制網(wǎng)及測量平臺上2點，共計15個GNSS點。GNSS控制網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由于這種網(wǎng)型結(jié)構(gòu)合理，分布均勻，通過對選取不同GNSS基線及相應(yīng)水準測量高差組成的不同圖形的組合、分析，對區(qū)域大地水準面變化的不規(guī)則性及區(qū)域高程異常的相關(guān)性研究提供了有利條件。
4.2 數(shù)據(jù)采集及計算
4.2.1 GNSS數(shù)據(jù)采集按照規(guī)范要求及本項目的特殊性，GNSS數(shù)據(jù)采集采用了穩(wěn)定可靠的徠卡GR25接收機，在GNSS觀測過程中不得重啟接收機、改變采樣率、天線位置，以防止儀器受震動和移動，同時避開雷電、風暴等惡劣天氣以保證數(shù)據(jù)準確性。GNSS天線高量取時，采用徠卡專用量高尺量3次取平均值，測前測后各1次，誤差應(yīng)小于1mm，作業(yè)現(xiàn)場如圖2所示。
4.2.2 水準數(shù)據(jù)采集
水準聯(lián)測采用市場上最為穩(wěn)定的數(shù)字水準儀徠卡DNA03，按二等水準測量要求施測，在珠海和香港分別聯(lián)測了高程控制網(wǎng)點。珠海側(cè)陸地二等水準測量閉合線路長35.8km，實測閉合差-6.3mm（允許值±23.9mm），完全滿足規(guī)范要求；香港大嶼山附近陸地二等水準測量閉合路線長4.8km，實測閉合差-3.2mm（允許值±8.7mm），作業(yè)現(xiàn)場如圖3所示
4.2.3 數(shù)據(jù)處理
GNSS基線處理選用基于Move 3.0軟件為核心的徠卡LGO，采用IGS事后精密星歷及其所對應(yīng)的框架和瞬時歷元，以4個CORS站聯(lián)測IGS站得到的精確瞬時ITRF坐標為起算數(shù)據(jù)，對其進行解算。
基線解算的GNSS網(wǎng)整體外業(yè)觀測質(zhì)量較高，基線解的精度非常好。絕大部分時段的nrms均在0.19-0.3之間?？刂凭W(wǎng)基線重復(fù)性在南北方向、東西方向、垂直方向上分別為0.65mm+0.73×10-8、0.58mm+0.26×10-8、5.07mm-0.95×10-8，在基線長度方向為0.72mm+0.23×10-8。
網(wǎng)平差采用LGO軟件以CORS站點（ Y E L I 、YUHN、HKSL）ITRF坐標框架為基準進行三維約束平差，基平差后點位精度高，X、Y、Z分量的平均中誤差分別為0.5mm、0.8mm、0.4mm，精度均優(yōu)于5mm。
通過標尺長度誤差改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正等對觀測高差值進行改正，以港珠澳大橋高程控制網(wǎng)點成果為起算點進行符合線路平差。
4.2.4 似大地水準面模型應(yīng)用
港珠澳大橋首期控制網(wǎng)測量的實施，建立了高精度的陸海平面基準及高程基準?？刂凭W(wǎng)各網(wǎng)點均埋設(shè)穩(wěn)固，平面控制網(wǎng)的所有點位均加設(shè)了水準測量標志，并納入水準網(wǎng)施測作為高程控制網(wǎng)點。因此，控制網(wǎng)點同時具備高精度的正常高和大地高以及平面坐標，為GNSS長距離高精度跨海高程傳遞提供了數(shù)據(jù)準備。在港珠澳似大地水準面計算中，使用了134個點重力數(shù)據(jù)和21個GNSS水準資料，EIGEN03地球重力場模型作為參考重力場，由第二類Helmert凝集法完成了大地水準面的計算。利用球冠諧調(diào)和分析方法將GNSS水準與重力似大地水準面聯(lián)合求解得出的2×2′格網(wǎng)似大地水準面其精度達到±8mm，如圖4所示。
五、成果應(yīng)用
經(jīng)過GNSS數(shù)據(jù)嚴密的基線解算、網(wǎng)平差，得到高精度的大地高及其空間坐標值，水準數(shù)據(jù)通過與高程控制網(wǎng)聯(lián)測及平差處理獲得了高精度的水準高程。由精確大地高和精密水準高程可以得到高程傳遞網(wǎng)點的高程異常差，高程傳遞跨海點的高程異常差采用合適的擬合算法，得到區(qū)域內(nèi)高精度GNSS/水準似大地水準面，計算得到GNSS高程傳遞成果高差（XPT1-DYS1）為：1.2730米。本項目的順利完成為港珠澳大橋島隧工程建立了高精度高程基準，解決了港珠澳大橋島隧工程長距離寬海域高精度高程傳遞的難題，其成果精度優(yōu)于國家二等水準精度，滿足港珠澳大橋島隧工程施工的需要。將該高差成果應(yīng)用到港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基床鋪設(shè)中，高程得到了充分驗證，首次實現(xiàn)水深50m級高程測控精度達到±20mm，保證了深水基床基礎(chǔ)的高精度平整度，豐富了外海深水高精度基床鋪設(shè)工效評估方法，推動了我國GNSS系統(tǒng)工程應(yīng)用化進程，達到了國際領(lǐng)先水平。
徠卡GNSS技術(shù)在高程傳遞測量中的應(yīng)用，極大地提高了高程傳遞測量的作業(yè)效率和經(jīng)濟效益，長距離高精度跨海高程傳遞關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用推動了測繪科技的進步。港珠澳高精度局部似大地水準面及高精度GNSS網(wǎng)成果，不僅可以建立與國家大地測量坐標相一致的精確的區(qū)域大地測量平面控制框架，而且結(jié)合高精度GNSS大地高可以快速地獲取地面點的水準高程，將極大地改善傳統(tǒng)高程測量作業(yè)模式，從而使費用高、難度大、周期長的傳統(tǒng)高精度水準測量工作量減少到最低限度。
六、展望
現(xiàn)代海洋工程水下構(gòu)筑物高程測量精度要求不斷提高，展望未來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和現(xiàn)代化進程的加快，測量儀器精度、自動化、智能化的程度不斷提高，通過對GNSS設(shè)備及技術(shù)不斷總結(jié)及改進，我國水工領(lǐng)域施工質(zhì)量及施工效率整體上得以提高，對我國的水運工程建設(shè)和大型跨海通道建設(shè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益，同時對海洋測繪工程領(lǐng)域的技術(shù)跨越發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。似大地水準面成果結(jié)合GNSS(BDS)測量可以滿足城市建設(shè)、國土資源調(diào)查以及工程建設(shè)和數(shù)字港珠澳對高程精度的需要，具有特別重要的科學(xué)意義、社會效益和巨大的經(jīng)濟效益。同時在我國特大型工程的測繪服務(wù)保障能力的提升上起到了良好的示范性作用，也為“一帶一路”戰(zhàn)略環(huán)境下不同國家（地區(qū)）測量基準精確轉(zhuǎn)換提供成功案例。
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