徐云航

摘 要：對(duì)于三峽樞紐河段的航道測(cè)繪來(lái)說(shuō)，更高效率、更高精度、更高統(tǒng)一性的CGCS2000坐標(biāo)系，是加強(qiáng)測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性、提升地理信息數(shù)據(jù)表達(dá)的準(zhǔn)確性和提高測(cè)繪成果互通的共享性的重要基礎(chǔ)。本文從三峽樞紐河段航道測(cè)繪工作實(shí)際情況出發(fā)，探討了三峽樞紐河段航道測(cè)量控制網(wǎng)目前存在的問(wèn)題，研究了三峽—葛洲壩兩壩間航道、樞紐航道、庫(kù)區(qū)航道的CGCS2000坐標(biāo)系測(cè)量控制網(wǎng)布設(shè)條件及方法。

關(guān)鍵詞：三峽樞紐河段;CGCS2000;控制網(wǎng);測(cè)繪

中圖分類號(hào)：TV6? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）10-0139-05

1引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，國(guó)防建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、科學(xué)研究等對(duì)國(guó)家大地坐標(biāo)系提出了新的需求，迫切需要國(guó)家提供高精度、地心、動(dòng)態(tài)、實(shí)用、統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系作為各項(xiàng)國(guó)防社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基礎(chǔ)性保障。采用CGCS2000坐標(biāo)系，有利于采用現(xiàn)代化的空間測(cè)繪技術(shù)，對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行維護(hù)和快速更新，測(cè)定高精度大地控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，提高測(cè)繪測(cè)圖工作效率。

對(duì)于三峽樞紐河段的航道測(cè)繪來(lái)說(shuō)，更高效率、更高精度、更高統(tǒng)一性的CGCS2000坐標(biāo)系，是整個(gè)長(zhǎng)航系統(tǒng)，乃至整個(gè)交通系統(tǒng)層面，加強(qiáng)測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性、提升地理信息數(shù)據(jù)表達(dá)的準(zhǔn)確性和提高測(cè)繪成果互通的共享性的重要基礎(chǔ)。因此，在推進(jìn)CGCS2000坐標(biāo)系建設(shè)工作的過(guò)程中，進(jìn)行三峽樞紐河段CGCS2000坐標(biāo)系測(cè)量控制網(wǎng)布設(shè)方法研究十分必要。

2 三峽樞紐河段航道測(cè)繪工作概述

自2008年以來(lái)，三峽樞紐河段三峽水庫(kù)175米蓄水及三峽—葛洲壩兩壩聯(lián)合運(yùn)行、葛洲壩大江下游河勢(shì)調(diào)整工程完建，河段內(nèi)三峽大壩上游、三峽—葛洲壩兩壩間和葛洲壩下游三段水域內(nèi)的水下地形、水流流速、河流比降、波浪等通航條件，與三峽大壩圍堰發(fā)電前相比較存在一些較明顯的變化。另外，兩壩間部分河段如石牌彎道、偏腦、喜灘和水田角等灘險(xiǎn)，河段內(nèi)航寬較窄、岸線蜿蜒、水勢(shì)湍急、流態(tài)紊亂，具有山區(qū)天然河道的特性。

近年來(lái)，通過(guò)三峽樞紐河段的船舶越來(lái)越多，長(zhǎng)江水運(yùn)行業(yè)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)和創(chuàng)建三峽樞紐河段一流水運(yùn)通道、保障船舶航行安全的客觀要求，對(duì)三峽樞紐河段的航道維護(hù)管理工作提出了較高的要求。

為了積累原型觀測(cè)基礎(chǔ)資料，進(jìn)一步做好航道科研分析，促進(jìn)三峽樞紐河段的通航事業(yè)發(fā)展，提高航道維護(hù)管理水平，三峽樞紐河段每年根據(jù)年度航道養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，安排實(shí)施葛洲壩樞紐大江航道水下地形觀測(cè)、葛洲壩樞紐三江航道水下地形觀測(cè)、三峽船閘引航道水下地形觀測(cè)、三峽升船機(jī)引航道道水下地形觀測(cè)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際工作需要安排實(shí)施航道水文觀測(cè)、長(zhǎng)河段水下地形觀測(cè)等測(cè)繪工作。

3 三峽樞紐河段測(cè)量控制網(wǎng)現(xiàn)狀

3.1 航道測(cè)量控制網(wǎng)概述

航道測(cè)量控制網(wǎng)由地面上一系列點(diǎn)（稱測(cè)量控制點(diǎn)）構(gòu)成，控制點(diǎn)之間由邊長(zhǎng)、方向、高差或GNSS基線等觀測(cè)量連接并構(gòu)成網(wǎng)型，點(diǎn)的空間位置可通過(guò)已知點(diǎn)的坐標(biāo)及點(diǎn)之間的連接按一定方法計(jì)算得到。

航道測(cè)量控制網(wǎng)大體分為平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)。航道測(cè)量控制網(wǎng)主要應(yīng)用于航道測(cè)繪、水位站水尺矯正等航道基礎(chǔ)信息采集工作當(dāng)中，高精度的測(cè)量控制網(wǎng)對(duì)于采集信息的準(zhǔn)確性有較大影響。同時(shí)在航道工程中，測(cè)量控制網(wǎng)同樣能夠?yàn)楣こ烫峁┢矫孀鴺?biāo)和高程基準(zhǔn)，對(duì)于工程質(zhì)量的控制有著重要作用。

3.2 三峽樞紐河段航道測(cè)繪坐標(biāo)系應(yīng)用情況

目前三峽樞紐河段航道測(cè)繪成果使用的坐標(biāo)系統(tǒng)有北京54坐標(biāo)系、WGS-84坐標(biāo)系、葛洲壩大壩坐標(biāo)系和三峽大壩坐標(biāo)系。主要應(yīng)用情況為：

（1）葛洲壩樞紐航道測(cè)繪項(xiàng)目采用葛洲壩大壩坐標(biāo)系;

（2）三峽樞紐航道測(cè)繪項(xiàng)目采用三峽大壩壩軸坐標(biāo)系;

（3）轄區(qū)三峽、葛洲壩樞紐樞紐航道以外航道測(cè)繪項(xiàng)目采用北京1954年坐標(biāo)系;

（4）基層辦事處進(jìn)行航標(biāo)維護(hù)時(shí)所用測(cè)量?jī)x器采用WGS-84坐標(biāo)系。

4三峽樞紐河段CGCS2000坐標(biāo)系控制網(wǎng)布設(shè)方法研究

4.1 控制網(wǎng)布設(shè)要求

4.1.1 精度要求

依據(jù)全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范，控制網(wǎng)按照精度分為A、B、C、D、E五級(jí)，控制網(wǎng)的精度指標(biāo)以網(wǎng)中相鄰點(diǎn)之間的距離誤差來(lái)表示，其具體形式為：

根據(jù)長(zhǎng)江三峽通航管理局?jǐn)?shù)字航道升級(jí)改造項(xiàng)目規(guī)劃對(duì)于三峽樞紐河段C級(jí)控制網(wǎng)布設(shè)的相關(guān)信息，該規(guī)劃控制網(wǎng)屬于首級(jí)控制網(wǎng)，依照C級(jí)控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)規(guī)范要求。由于部分規(guī)劃控制點(diǎn)位置距離航道水線較遠(yuǎn)，且相互之間距離相隔5～15km，因此需要進(jìn)行次級(jí)控制網(wǎng)的加密，來(lái)滿足實(shí)際航道測(cè)繪的作業(yè)需求。

在布設(shè)次級(jí)控制網(wǎng)時(shí)，應(yīng)按照D級(jí)控制網(wǎng)測(cè)量技術(shù)規(guī)范要求，充分利用已有完整控制點(diǎn)位置，與C級(jí)控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)得到CGCS2000坐標(biāo)系和高程的數(shù)據(jù)。

4.1.2 選點(diǎn)要求

在控制網(wǎng)選點(diǎn)時(shí)，應(yīng)沿航道左右兩岸布設(shè)，點(diǎn)位不能離航道邊線太遠(yuǎn)也不能離航道邊線太近，離航道邊線太遠(yuǎn)時(shí)航道測(cè)量作業(yè)不方便，離航道邊線太近時(shí)，會(huì)受到水位上漲影響沖蝕控制點(diǎn)基礎(chǔ)。因此控制點(diǎn)選擇應(yīng)在航道邊線附近，非陡峭地形，易于進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，且靠近航標(biāo)處，后期便于維護(hù)。

同時(shí)，也應(yīng)統(tǒng)籌考慮在控制網(wǎng)測(cè)量時(shí)使用的儀器，若使用全站儀，則要保證所有控制點(diǎn)之間，相鄰2點(diǎn)必須要具備通視條件，且相鄰網(wǎng)點(diǎn)間距離適中，不宜超過(guò)2km;若使用北斗GNSS測(cè)量?jī)x器，則要視野要開(kāi)闊，周圍不能有遮擋。

4.2兩壩間航道CGCS2000坐標(biāo)系控制網(wǎng)布設(shè)方法分析

4.2.1 兩壩間航道控制網(wǎng)布設(shè)條件

受兩壩間航道彎曲和岸線凹凸程度較大影響，控制點(diǎn)間會(huì)存在測(cè)量通視盲區(qū)，同時(shí)兩壩間航道大多處于石林山壁之間，位置平坦處較少，因此不宜使用全站儀進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)，北斗GNSS測(cè)量?jī)x器較適合兩壩間環(huán)境。

三峽樞紐河段兩壩間航段北斗衛(wèi)星信號(hào)測(cè)試結(jié)果顯示，兩壩間區(qū)域內(nèi)北斗衛(wèi)星信號(hào)數(shù)量均大于單測(cè)站至少4顆衛(wèi)星的信號(hào)需求，并且接收到的衛(wèi)星信號(hào)較強(qiáng)，滿足北斗GNSS測(cè)量?jī)x器在控制網(wǎng)布設(shè)中的使用環(huán)境。

4.2.2 兩壩間航道控制網(wǎng)布設(shè)原則

受兩壩間地理環(huán)境影響，在控制網(wǎng)選點(diǎn)時(shí)可遵循以下原則：

（1）充分利用原有保存較好的控制點(diǎn)位置;

（2）選擇距離航道邊線較近的地點(diǎn)，方便進(jìn)行航道測(cè)量作業(yè);

（3）選擇最高通航水位以上基礎(chǔ)穩(wěn)固的地點(diǎn);

（4）應(yīng)選擇在交通便利、上點(diǎn)方便、靠近航標(biāo)的地點(diǎn)，便于后期的使用和維護(hù);

（5）避免障礙物遮擋，遠(yuǎn)離電磁波反射強(qiáng)烈的地形、地物。

4.2.3 兩壩間航道CGCS2000坐標(biāo)系控制網(wǎng)測(cè)量方法

4.2.3.1 坐標(biāo)系測(cè)量方法

使用北斗GNSS測(cè)量?jī)x器進(jìn)行控制網(wǎng)的坐標(biāo)系測(cè)量，至少需要3個(gè)已知坐標(biāo)控制點(diǎn)和1個(gè)待測(cè)坐標(biāo)控制點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)聯(lián)測(cè)。對(duì)于加密的D級(jí)航道控制網(wǎng)，可以根據(jù)長(zhǎng)江三峽通航管理局已建的C級(jí)CGCS2000坐標(biāo)系控制網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)聯(lián)測(cè)，而C級(jí)控制網(wǎng)的測(cè)量，可以根據(jù)宜昌市國(guó)土部門布設(shè)的C級(jí)或更高等級(jí)的CGCS2000坐標(biāo)系控制點(diǎn)靜態(tài)聯(lián)測(cè)得到。

北斗GNSS測(cè)量的基本原理，是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的北斗衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置北斗GNSS接收機(jī)，可以測(cè)定北斗衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定并解出以下四個(gè)方程式：

在得到待定控制點(diǎn)的相對(duì)位置后，根據(jù)已知控制點(diǎn)上靜態(tài)測(cè)量的相對(duì)位置及已知CGCS2000坐標(biāo)系坐標(biāo)，平差解算后就能夠得到待定控制點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)系坐標(biāo)。

4.2.3.2 高程測(cè)量方法

在兩壩間航道控制網(wǎng)的布設(shè)過(guò)程當(dāng)中，控制點(diǎn)的選擇基本都在航道左右岸靠近航道的地方，并且會(huì)利用原有保存較好的已知高程控制點(diǎn)。因此，在進(jìn)行控制網(wǎng)的高程聯(lián)測(cè)時(shí)，可使用符合水準(zhǔn)路線的水準(zhǔn)測(cè)量方式，利用航標(biāo)艇或航道測(cè)量船運(yùn)送測(cè)量人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行控制網(wǎng)的水準(zhǔn)測(cè)量。

4.3 三峽壩上庫(kù)區(qū)航道CGCS2000坐標(biāo)系控制網(wǎng)布設(shè)方法分析

4.3.1 三峽壩上庫(kù)區(qū)航道控制網(wǎng)布設(shè)條件

三峽壩上庫(kù)區(qū)航道彎曲程度較小，航道較寬，但岸線仍呈“S”狀連續(xù)密集小波浪型，再加上左右兩岸支汊河口較多，因此同岸側(cè)通視條件受影響程度較大，使用全站儀進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)具有很大難度，對(duì)控制網(wǎng)的密度要求較高，宜使用北斗GNSS測(cè)量?jī)x器進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)。

三峽樞紐河段三峽壩上庫(kù)區(qū)航段北斗衛(wèi)星信號(hào)測(cè)試結(jié)果顯示，三峽壩上庫(kù)區(qū)內(nèi)北斗衛(wèi)星信號(hào)數(shù)量均大于單測(cè)站至少4顆衛(wèi)星的信號(hào)需求，并且接收到的衛(wèi)星信號(hào)較強(qiáng)，滿足北斗GNSS測(cè)量?jī)x器在控制網(wǎng)布設(shè)中的使用環(huán)境。

4.3.2 三峽壩上庫(kù)區(qū)航道控制網(wǎng)布設(shè)原則

受三峽壩上庫(kù)區(qū)地理環(huán)境影響，在控制網(wǎng)選點(diǎn)時(shí)可遵循以下原則：

（1）充分利用原有保存較好的控制點(diǎn)位置;

（2）選擇距離航道邊線較近的地點(diǎn)，方便進(jìn)行航道測(cè)量作業(yè);

（3）選擇吳淞高程在175.0m以上基礎(chǔ)穩(wěn)固的地點(diǎn);

（4）應(yīng)選擇在交通便利、上點(diǎn)方便、靠近航標(biāo)的地點(diǎn)，便于后期的使用和維護(hù);

（5）避免障礙物遮擋，遠(yuǎn)離電磁波反射強(qiáng)烈的地形、地物。

4.3.3 三峽壩上庫(kù)區(qū)航道CGCS2000坐標(biāo)系控制網(wǎng)測(cè)量方法

4.3.3.1 坐標(biāo)系測(cè)量方法

由于三峽壩上庫(kù)區(qū)航道同岸側(cè)通視效果較差，航道較寬，因此宜使用北斗GNSS測(cè)量?jī)x器進(jìn)行控制網(wǎng)的坐標(biāo)系測(cè)量。測(cè)量方法同兩壩間航道控制網(wǎng)測(cè)量方法一致，與3個(gè)已知控制點(diǎn)或高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)聯(lián)測(cè)，經(jīng)過(guò)聯(lián)合平差得到待定控制點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)系坐標(biāo)。

4.3.3.2 高程測(cè)量方法

在三峽壩上庫(kù)區(qū)航道控制網(wǎng)的布設(shè)過(guò)程當(dāng)中，控制點(diǎn)的選擇基本都在航道左右岸靠近航道的地方，同時(shí)充分利用原有保存較好的已知高程控制點(diǎn)。三峽壩上庫(kù)區(qū)航道兩岸集鎮(zhèn)較多，公路條件較好，因此，在進(jìn)行三峽壩上庫(kù)區(qū)航道控制網(wǎng)的高程聯(lián)測(cè)時(shí)，可使用符合水準(zhǔn)路線的水準(zhǔn)測(cè)量方式，利用汽車運(yùn)送測(cè)量人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)量距離公路較遠(yuǎn)的控制點(diǎn)時(shí)，可用航標(biāo)艇或航道測(cè)量船運(yùn)送測(cè)量人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行控制網(wǎng)的水準(zhǔn)測(cè)量。

4.4 樞紐航道CGCS2000坐標(biāo)系控制網(wǎng)布設(shè)方法分析

4.4.1 樞紐航道控制網(wǎng)布設(shè)條件

葛洲壩樞紐航道和三峽樞紐航道上下游具有渠化航道條件，視野開(kāi)闊，控制點(diǎn)布設(shè)基礎(chǔ)布設(shè)條件較好?？梢允褂萌緝x符合導(dǎo)線測(cè)量側(cè)方法進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)，同時(shí)，因?yàn)橐曇伴_(kāi)闊，也可以使用北斗GNSS測(cè)量?jī)x器進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)。

由于樞紐航道的壩上壩下高差較大，葛洲壩樞紐上下游高差在20m以上，三峽樞紐航道上下游高差在110m以上，因此，在控制點(diǎn)的高程測(cè)量當(dāng)中，會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榭刂泣c(diǎn)間高程較大，在水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)中測(cè)站較多帶來(lái)累計(jì)誤差，若樞紐航道控制網(wǎng)布設(shè)密度較大，則成本會(huì)進(jìn)一步增大，因此在控制網(wǎng)的布設(shè)過(guò)程中宜使用“三角高程”法進(jìn)行布網(wǎng)的優(yōu)化。

4.4.2 樞紐航道控制網(wǎng)布設(shè)原則

受樞紐航道地型影響，在控制網(wǎng)選點(diǎn)時(shí)可遵循以下原則：

（1）充分利用原有保存較好的控制點(diǎn)位置;

（2）選擇距離航道邊線較近的地點(diǎn)，方便進(jìn)行航道測(cè)量作業(yè);

（3）配置1～2處距離較近的壩上壩下控制點(diǎn);

（4）應(yīng)選擇在交通便利、上點(diǎn)方便、靠近航標(biāo)的地點(diǎn)，便于后期的使用和維護(hù);

（5）避免障礙物遮擋，遠(yuǎn)離電磁波反射強(qiáng)烈的地形、地物。

4.4.3 樞紐航道CGCS2000坐標(biāo)系控制網(wǎng)測(cè)量方法

4.4.3.1 坐標(biāo)系測(cè)量方法

在使用全站儀符合導(dǎo)線測(cè)量方法進(jìn)行控制網(wǎng)的坐標(biāo)測(cè)量時(shí)，需要4個(gè)已知CGCS2000坐標(biāo)控制點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，從2個(gè)已知控制點(diǎn)出發(fā)，測(cè)出中間若干待定點(diǎn)，最后再到另外2個(gè)已知控制點(diǎn)，形成一個(gè)折線。在設(shè)站時(shí)應(yīng)選擇地基穩(wěn)固的地點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)之間必須通視良好，各點(diǎn)與前、后相鄰點(diǎn)之間的距離盡量等長(zhǎng)，在每測(cè)站中要嚴(yán)格對(duì)中整置儀器。

在設(shè)計(jì)好符合導(dǎo)線路線后，對(duì)導(dǎo)線上各點(diǎn)依次進(jìn)行測(cè)回法角度測(cè)量和邊長(zhǎng)測(cè)量，將所得數(shù)據(jù)結(jié)合已知點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)正算得到待定點(diǎn)的坐標(biāo)，最后通過(guò)導(dǎo)線閉合差限差范圍來(lái)檢查所得數(shù)據(jù)。

若使用北斗GNSS測(cè)量?jī)x器進(jìn)行控制網(wǎng)的坐標(biāo)系測(cè)量，測(cè)量方法同兩壩間航道控制網(wǎng)測(cè)量方法一致，與3個(gè)已知控制點(diǎn)或高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)聯(lián)測(cè)，經(jīng)過(guò)聯(lián)合平差得到待定控制點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)系坐標(biāo)。

4.4.3.2 高程測(cè)量方法

對(duì)于布設(shè)在樞紐航道上游和下游的控制點(diǎn)，因其良好的地面基礎(chǔ)條件、交通條件，可使用符合水準(zhǔn)路線的水準(zhǔn)測(cè)量方式進(jìn)行高程聯(lián)測(cè)。對(duì)于樞紐航道上游和下游的高程聯(lián)測(cè)，可在樞紐船閘上合適位置處布設(shè)1處控制點(diǎn)，在船閘下游合適距離處布設(shè)1處控制點(diǎn)，兩處控制點(diǎn)間使用“三角高程”法進(jìn)行高程測(cè)量。

三角高程測(cè)量時(shí)通過(guò)測(cè)定測(cè)站A與待定點(diǎn)B之間的豎直角α、平距D或斜距S，計(jì)算出兩點(diǎn)之間高差進(jìn)而求得B點(diǎn)高程的方法。這種方法比水準(zhǔn)測(cè)量靈活、方便。受地形條件限制少且效率高，主要受大氣折光影響較嚴(yán)重。因此，三角高程測(cè)量能夠滿足樞紐航道上下游高差較大的測(cè)量條件。

5結(jié)語(yǔ)

在三峽樞紐河段CGCS2000坐標(biāo)系測(cè)量控制網(wǎng)布設(shè)方法研究過(guò)程當(dāng)中，需要充分利用已有高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行CGCS2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，在已有控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選擇合理的高程測(cè)量方式，統(tǒng)籌布設(shè)控制網(wǎng)，則能將控制網(wǎng)布設(shè)得效率提高，減小測(cè)量成本。

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