[原创]济南植物园步行桥GPS施工控制网的技术设计与实践

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更多发布于：2005-03-22 00:06

注：此文为本人总结实践工作而得，不当之处请批评指正





摘要：根据济南植物园步行桥的构造特点和施工要求，介绍了在困难地段应用GPS建立施工控制网时技术设计、外业观测、数据处理等方面的要点。通过实践应用表明，应用GPS建立短边高精度的施工控制网完全可以满足施工要求。


关键词：控制网；技术设计；实践


1概述


济南植物园位于千佛山西侧，经十路以南，地理位置优越，自然环境优美, 是一座面向社会开放的风景植物园。因为经十一路道路综合整治在省体育中心、植物园段受阻，为保证道路通畅，同时不切割植物园原定的健身休闲广场，所以决定在植物园上空建设一座横跨东西的步行桥，车辆仍沿马鞍山路行驶。植物园步行桥以景观为主，从植物园西南角的观赏温室开始，经过映日湖到公园东南角的健身休闲广场，全长约870米，桥宽约3米，高约6米。整座桥上有多处下桥口，以供市民观景和步行之用。


步行桥的桥身是钢质结构，多为小跨径（10m左右）连续梁，通过焊接和绞接两种方式组合而成，基础类型为桩基。与一般桥梁相比，该桥的设计、施工、测量要求都较高，难度也较大。设计单位提出，桥墩位的点位中误差不大于±10mm。一般情况下，按照工程施工测量的程序和原则，必须首先建立施工控制网，作为全桥施工放样的基准。采用的坐标系统为1993年济南市独立坐标系。


作业区内地势略有起伏，树木密集，现状道路多曲线，通视条件较差。为了便于施工和测量，植物园管理处迁移了桥中线附近的部分树木。但是，由于步行桥中线为半径较小的圆曲线，树木遮挡严重，所以通视情况仍然不好，给测量工作带来很大困难。为了便于施工时利用，我院有关人员在多次实地踏勘现场的基础上，于2004年4月7日同建设单位、监理方、施工方共同现场确定了施工控制网点的数量和具体位置，布设了由II-01～II-08共8点构成的施工控制网。
<v:shapetype> <v:shapetype> </v:shapetype></v:shapetype>总的来说，该施工控制网的测量有以下几个难点：


⑴精度要求高。这一点可以从后面的精度分析中看出。


⑵施测条件困难。测区内遮挡物较多，树木密集，不仅通视困难，而且非常不利于GPS卫星信号的接收。


⑶边长非常短。由于受到地形条件的限制，相邻边长都比较短（最短83米，最长144米），这对于提高控制网的精度也非常不利。


本文结合济南植物园步行桥GPS施工控制网的成功经验，论述困难条件下建立高精度短边GPS施工控制网在技术设计和实践中的几个关键问题。


2短边GPS施工控制网的技术设计


与传统控制网相比，GPS网具有无可比拟的优点：定位精度高、速度快、受地面点网形制约小、劳动强度低、可以全天候作业等等。因此，近几年来GPS技术已经广泛应用于国家大地测量控制网的改造、城市测量控制网和工程测量控制网的建立等工作中。这些网的共同特点是边长较长，可以达到很高的相对精度。而本步行桥施工控制网的平均相邻边长仅100米，最大边长为II-01至II-08，也只有530米。采用何种方式确定控制网的精度，控制网的精度指标达到多少才能保证满足施工要求，是技术设计要解决的首要问题。


2.1施工控制网平面精度分析


签于本施工控制网的边长太短，采用相对精度指标确定控制网的精度是不合适的，应采用根据桥墩中心定位容许误差进行分析的方法。在桥墩的施工放样过程中，引起桥墩点位误差的因素包括两个方面的误差：m控和m放。其中：m控为控制点测量误差的影响；m放为施工放样测量误差。


则有：△2＝m控2＋m放2。


误差分配的原则可以按照误差影响的大小确定，设m控/m放＝n，则有：


 △2＝m放2（1＋n2）


将上式按级数展开，并忽略高次项可得


△＝m放（1＋½n2）


大桥局在武汉二桥及上海岩土工程勘察设计院在徐浦大桥工程中，均将½n2取为0.1，可以求得m控＝0.4△，这与[1]中按照桥墩中心定位的容许误差进行分析的方法一致。


则在本工程中：m控＝0.4 ×（±10mm）＝±4mm。


我们采用的GPS设备是Leica SR530型双频GPS接收机，其后处理基线标称精度为3mm+0.5ppm。采用适当的观测方案，可以达到上述的精度指标。所以，在技术设计里，我们提出了此步行桥施工控制网的点位中误差应不大于±4mm的要求。


2.2起算点的选择


本工程中，进行GPS二维约束平差时，观测量是已经投影到济南市独立坐标系的二维基线向量及其转换后的方差协方差阵，作为已知数据的约束值是平面坐标系中点的坐标、平面距离和坐标方位角。当约束平差采用强制性约束，即所有起算数据的约束值均作为固定值参与平差，不顾及这些起算数据的误差时，要求作为强制性约束的起算数据应有很好的内符合精度，即自身是兼容的，否则将引起GPS网的扭曲和变形，损害GPS网精度。比较常用的做法是在进行二维约束平差计算时，采用多个起算点利用方案进行分析对比，选取最佳方案计算结果。


鉴于本施工控制网精度要求高，现场条件较差，地面点之间的通视以及地面点对空的通视情况都不好，而且相邻边长较短。所以，需要把平面控制网布设成为相对独立的GPS网，以减弱起算点精度的影响，提高控制网的相对精度。


[2]中提出，在条件尚好的情况下，对于100～300米左右的短边，当按3个时段（每个时段为1小时）进行观测时，其短边GPS方位中误差应大体在2″～4″左右。对于500米的边长，方位边中误差可达1″。这点在我们的GPS实践中也得到了多次验证。


所以，我们直接提出了以II-01的RTK坐标和GPS静态方式测得的II-01～II-08的坐标方位角为起算数据进行平差，对平差结果利用RTK技术进行校对的方案。


3步行桥GPS施工控制网的测量


3.1主要仪器


利用的主要仪器为5台Leica SR530型双频GPS接收机和1台TOPCON 602OP型全站仪。所用GPS接收机既可进行高精度的静态GPS测量，也可以进行RTK测量，其后处理基线标称精度为3mm+0.5ppm，RTK测量标称精度为10mm+1ppm。


3.2主要步骤


第一步，利用RTK技术联测上II-01、II-05、II-06、II-08等点的坐标。


第二步，进行GPS静态定位方式测量。


第三步，进行GPS平差计算。


第四步，进行边长检测和坐标对比。


3.3静态GPS观测


为了保证控制网达到预期的精度，按照《全球定位系统（GPS）测量规范》(GB/T 18314－2001)规定的D级GPS网的基本技术要求进行观测。结合本工程的实际情况，同时考虑到便于交通，提高作业效率，设计的外业观测顺序见表1。实际观测时，每个时段的长度均大于50分钟，整个网的平均重复设站数=1.9，数据采样间隔为10″，同时观测有效卫星数≥5，卫星高度角≥15°。


表1 GPS测量作业顺序表


<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=1>

<TR>
<TD width=104>
时段编号</TD>
<TD width=104>
测站点号</TD>
<TD width=104>
测站点号</TD>
<TD width=104>
测站点号</TD>
<TD width=104>
测站点号</TD>
<TD width=104>
测站点号</TD></TR>
<TR>
<TD width=104>
0</TD>
<TD width=104>
II-01</TD>
<TD width=104>
II-02</TD>
<TD width=104>
II-03</TD>
<TD width=104>
II-04</TD>
<TD width=104>
II-05</TD></TR>
<TR>
<TD width=104>
1</TD>
<TD width=104>
II-04</TD>
<TD width=104>
II-05</TD>
<TD width=104>
II-06</TD>
<TD width=104>
II-07</TD>
<TD width=104>
II-08</TD></TR>
<TR>
<TD width=104>
2</TD>
<TD width=104>
II-01</TD>
<TD width=104>
II-05</TD>
<TD width=104>
II-06</TD>
<TD width=104>
II-07</TD>
<TD width=104>
II-08</TD></TR></TABLE>
3.4 GPS平差计算


GPS平差计算采用的软件是SKI-Pro (V2.1)，采用的星历类型为广播星历，对流层模型为霍普菲尔德模型。平差计算按照以下步骤进行：基线预处理和基线解算→在WGS-84坐标系下进行无约束平差→在济南椭球上进行无约束平差→在1993年济南市独立坐标系下进行二维约束平差（采用前面述及的约束条件）。


进行约束平差计算前将II-01～II-08的在济南椭球上的坐标方位角、边长与根据RTK测量结果反算的坐标方位角、边长进行了对比，坐标方位角差值为-0.62″，边长差值为4mm，这一结果与所用仪器的标称精度相符合。所以，直接利用II-01的RTK坐标、II-01～II-08的GPS静态坐标方位为已知数据进行GPS网的约束平差，求得其它待定点的坐标及其点位中误差。斜距标准差最小为0.5mm，最大为1.0mm；平差后的点位中误差最小为2.0mm，最大为3.7mm，平均为3.2mm，见表2。


表2 步行桥GPS施工控制网点位中误差


<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=1>

<TR>
<TD width=116>
点 号</TD>
<TD width=56>
II-01</TD>
<TD width=56>
II-02</TD>
<TD width=56>
II-03</TD>
<TD width=56>
II-04</TD>
<TD width=56>
II-05</TD>
<TD width=56>
II-06</TD>
<TD width=56>
II-07</TD>
<TD width=56>
II-08</TD>
<TD width=56>
平均</TD></TR>
<TR>
<TD width=116>
点位中误差(mm)</TD>
<TD width=56>
±2.0</TD>
<TD width=56>
±3.5</TD>
<TD width=56>
±3.7</TD>
<TD width=56>
±3.6</TD>
<TD width=56>
±2.7</TD>
<TD width=56>
±3.2</TD>
<TD width=56>
±3.2</TD>
<TD width=56>
±3.4</TD>
<TD width=56>
±3.2</TD></TR></TABLE>
平面控制网的各项精度指标均符合规范要求，点位中误差均<±4mm，根据前面的控制网精度分析，达到了预期的精度，完全可以满足施工要求。


3.5边长检验


植物园步行桥跨映日湖一段为铰接，其余桥段为焊接。相对而言，对跨映日湖一段的II-05、II-06两个点的精度要求更高一些。所以，对这个边长进行了检测。检测方式为利用TOPCON 602OP型全站仪进行往返测距，同时对距离进行了温度和气压改正。该全站仪的标称精度为：测角±2″、测距±（2mm＋2ppm），可以用来进行比较精密的测角测距工作。边长检测结果见表3。


表3


<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=1>

<TR>
<TD width=98>
边长名称

</TD>
<TD width=175>
GPS边长（m）

</TD>
<TD width=175>
全站仪边长（m）

</TD>
<TD width=175>
差 值（mm）

</TD></TR>
<TR>
<TD width=98>
II-05～II-06

</TD>
<TD width=175>
123.2858

</TD>
<TD width=175>
123.2825

</TD>
<TD width=175>
-3.3

</TD></TR></TABLE>
检测结果与所用仪器的标称精度相符合，说明测量结果可靠。


3.6 RTK检验


实际测量时，利用了RTK技术检测了II-05、II-06和II-08的坐标，和GPS静态平差结果进行了对比，结果见表4。可以看出，RTK检测结果也非常理想，优于其标称精度。


表4


<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 border=1>

<TR>
<TD width=156>
点号

</TD>
<TD width=156>
∆x（mm）

</TD>
<TD width=156>
∆y（mm）

</TD>
<TD width=156>
∆s（mm）

</TD></TR>
<TR>
<TD width=156>
II-05

</TD>
<TD width=156>
0.002

</TD>
<TD width=156>
0.008

</TD>
<TD width=156>
0.0082

</TD></TR>
<TR>
<TD width=156>
II-06

</TD>
<TD width=156>
-0.008

</TD>
<TD width=156>
-0.001

</TD>
<TD width=156>
0.0081

</TD></TR>
<TR>
<TD width=156>
II-08

</TD>
<TD width=156>
-0.003

</TD>
<TD width=156>
-0.003

</TD>
<TD width=156>
0.0042

</TD></TR></TABLE>
3.7 GPS网的复测


在植物园步行桥施工前，监理单位组织进行了对该施工控制网的复测，复测结果也比较理想。目前，施工方已经依据该GPS施工控制网，完成了桥墩放样工作，未发现任何关于该控制网的精度问题。


4结论


⑴目前，国家尚未发布桥梁工程的GPS测量技术规范。在植物园步行桥施工控制网的技术设计中，我们运用测量误差理论，分析计算了植物园步行桥施工控制网应达到的精度。提出了独特的起算数据利用方案，建立了相对独立的GPS施工控制网，既提高了GPS网的相对精度，也保证了其绝对精度。
⑵在本工程实践中，克服了边长短、施测条件差等困难，采用了一次性布网和严密的GPS观测、平差计算、数据检测方案，保证了控制网点的精度均匀且达到了预期的精度，提高了成果的可靠性，满足了施工控制的需要，为进行短边、高精度GPS测量探索了一种新思路、新方法。
⑶利用GPS技术进行控制测量，具有速度快、精度高、对图形强度的限制小、劳动强度低、可以全天候作业等诸多优点，是今后进行高精度控制测量的首选手段。GPS观测具有无需控制网点之间相互通视的优点，但是在全站仪已经广泛应用于施工放样的情况下，为随后的放样工作方便考虑，应尽量保证有2个以上的通视方向，以利于克服施工干扰。
5其它说明


为便于施工时利用，同施工方协商后，按照四等水准的观测要求测量了一条附合水准，联测上了II-01～II-08的高程。水准路线长度为1.44㎞，高程闭合差为0.017m。II-01～II-08中，高程中误差最大为0.009m，最小为0.005m，高程精度符合规范要求。
参考文献


[1]吴栋材，等.大型斜拉桥施工测量.北京：测绘出版社，1996.


[2]熊建明.GPS短边方位测量的精度分析.测绘通报，2000，（11）.

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wangjh

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1楼^#

发布于：2005-03-22 09:26

支持原创！

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路人甲

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发布于：2005-03-22 09:54

原创难得啊！狂顶

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强极则辱情深不寿
谦谦君子温润如玉
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ysnani 路人甲注册日期2004-09-23 发帖数6 QQ 铜币130枚威望0点贡献值0点银元0个加关注写私信	3楼^# 发布于：2005-03-23 13:57 <P>楼主是济南勘测院的吗?我也在山东有空聊聊天ysn-ani@sohu.com</P>
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hnyy 路人甲注册日期2005-03-24 发帖数54 QQ 铜币214枚威望0点贡献值0点银元0个加关注写私信	4楼^# 发布于：2005-03-24 01:18 <img src="images/post/smile/dvbbs/em02.gif" />
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大笨笨熊路人甲注册日期2006-04-27 发帖数7 QQ 铜币111枚威望0点贡献值0点银元0个加关注写私信	5楼^# 发布于：2006-04-27 01:53 <P>hao</P>
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