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GPS技术配合导线测量在隧道贯通中的应用.doc

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GPS 技术 配合 导线 测量 隧道 贯通 中的 应用
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龙岩学院毕业论文题 目:GPS 技术配合导线测量在隧道贯通中的应用二 0 一六年六月三日GPS技术配合导线测量在隧道贯通中的应用【摘要】:近年来,由于我国社会经济快速发展,城市化水平不断提高,城市化建设也得到了前所未有的发展,各种工程项目大量出现,其中隧道类工程也扮演着举足轻重的角色,隧道类工程承担着城市交通、通信、引水管线、燃气等一系列的作用。同时随测量技术的迅猛发展,测量的作业方法也愈发多样化。在此过程中,由于GPS技术的出现以及不断更新的发展,它所具有的全天候性、连续性和实时性的快速定位功能,这也充分显示出它在测量领域的优越性和适应性。但是,隧道类工程中,需要进行贯通测量,仅仅应用GPS技术是很难满足工程上的需求的,这时候就需要应用导线测量技术加以配合。本文介绍了GPS技术的一些基本知识、技术特点和使用情况,通过结合漳州云霄古雷镇供水工程实例,分析GPS技术配合导线测量在隧道贯通中的应用。【关键字】GPS;导线测量;实例应用目录1.绪论 ..................................................................................11.1 课题研究的意义 .....................................................................................................................................11.2 GPS 的发展与现状 .................................................................................................................................11.3 GPS 组成与技术 .....................................................................................................................................11.3.1 空间星座部分 ..............................................................................................................................11.3.2 地面监控部分 ..............................................................................................................................21.3.3 用户设备部分 ...............................................................................................................................22 导线测量 ..............................................................................22.1 导线测量的特点 ....................................................................................................................................22.2 导线的形式及其使用条件 .....................................................................................................................22.3 导线测量的缺点 ..................................................................22.4 导线选用 ........................................................................23.具体项目技术方案 ......................................................................33.1 测量前准备 ..............................................................................................................................................33.2 测量精度要求及坐标系统 .....................................................................................................................33.3 仪器配备及人员安排 .............................................................................................................................33.4 外业施测 ..................................................................................................................................................33.5 内业数据处理 ..........................................................................................................................................34.工程实例应用 ..........................................................................34.1 工程概况 ..................................................................................................................................................34.1.1 测区概况 .......................................................................................................................................34.1.2 已有数据 .......................................................................................................................................44.1.3 作业技术依据 ...............................................................................................................................44.2GPS 控制网平差报告 ..............................................................................................................................44.3 导线测量 .........................................................................85.实测中应注意的问题 ....................................................................96.总结 .................................................................................10参考文献 ...............................................................................10英文摘要 ...............................................................................11致谢语 .................................................................................1211 绪论1.1 课题研究的意义随着我国社会经济的快速发展,城市化进程加快,城市人口不断增多,城市生活用水、饮用水及工业用水、农业用水的需求增加,但供应却明显不足,为此,不少城市在寻找方法解决此类问题,寻找第二水源(如获取地下水,修建水库等),进行水源的扩补(例如南水北调工程)。同时,为了进行引水,不少城市选择用铺设管线的方式进行引水,但是由于管线引水有时因工程设计方案的原因,常常需要挖掘隧道用以铺设管线,而进行隧道贯通测量,就需要用到一些科学、合理的测量手段与方法。而作为前沿科技之一的GPS 技术,在当今社会已然渗透到诸多的行业领域。随着科学技术的发展,GPS技术在测量领域得到了很大的扩展,并且占据着极其重要的地位。随着GPS技术的更新换代,不论是在生活上还是城市基础建设中都发挥着日益重要的作用。同时这也使得GPS技术得到很大提升,功能更加的强大,在作业的时候,更加的方便快捷。与以前的传统测量方法相比较,GPS技术已经发上了的巨大的改变。然而,在隧道的贯通中,由于隧道内无法接收信号的问题,仅仅使用GPS技术是不够的,为此,需要采用一些切实可行的手段进行贯通测量。1.2 GPS的发展与现状“Global Positioning System”即全球定位系统,在上世纪七十年代由美军军方统一开发创建的新型空间卫星导航定位系统,它的建立为不同领域实现了实时的导航定位服务,经过了多年探索和不停的实验,花费了数以万计的成本,终于在1994年3月份左右,在空间布设了24颗卫星,覆盖了全球百分之九十八的面积。当今社会,科学技术的不断发展,使得GPS技术也在不断的完善更新。在此过程中,仪器的成本在逐步降低,GPS使用的范围在慢慢扩大。GPS 技术已经渗透到各个领域行业,这就使得它得到了众多生产商的青睐,从而促进了GPS接收机的普及和应用。也正因为如此,许多不同的GPS原始测量数据它的记录格式与其处理的软件及其方法也随之而产生。这样使得GPS的使用出现在人们生活的各个方面和领域。GPS的存在已经和人类的发展密不可分了。1.3 GPS组成与技术GPS 系统是由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分这三部分构成的,如图 1-1 所示:图1-1 GPS 系统1.3.1 空间星座部分全球定位系统的空间卫星星座由24颗卫星构成。这些卫星分布在6个轨道面内,且每个轨道上基本都有4颗。卫星轨道面与地球赤道面间的倾角约为55度,各个轨道面的升交点的赤经之间相差60度。在2相邻的轨道上,卫星的升交距相差30度。在一样的观测站上,卫星当天显示出的分布图形是一样的,不一样的地方体现在当天它都会早4分钟。各个卫星在地平线之上运转的时间每天大概5个小时左右,另外在地平线上的卫星数量,也会随时间及地点的改变而改变,在这个时候,至少也有4颗,最多的时候却可以达到11颗。卫星信号的传播不受天气的变化所影响,所以GPS卫星的空间分布,可以保障在求任意地点都能同时接受到4颗卫星的信号,也正因为如此,GPS是一种具备全球、全天候的连续实时性质的定位系统。1.3.2 地面监控部分在地面上,由卫星监测站、主控站和信息注入站等5个覆盖全世界的地面站组成的。监测站是由主控站直接控制的,在站内自动化的采集数据模式。其中接收机部分对GPS卫星进行连续性的观测,从而采集一些有关数据,并了解卫星的工作情况,还有用来减少时间误差的原子钟、资料观测处理确定卫星轨道的计算机及采集有关气象数据的环境数据传感器等等。1.3.3 用户设备部分要想达到GPS定位的目地,只有利用用户部分,而用户部分可以分为GPS接收机和数据处理软件两部分。接收机接收卫星发射的信号,对信号进行交换。得到测量数据,把数据输入到软件中,经基线解算,平差得出地面点的坐标。2 导线测量2.1 导线测量的特点①布网方便、方法灵便,几乎不被地形影响,观测速度快,间距精度匀称;②有较高的精度,较多的检核条件,可以有效地避免在测量过程中误差的出现;③可以同时进行三角高程导线测量,能同步传递高程等优点。2.2 导线的形式及其使用条件①闭合导线:从某点起始经由若干其他的控制点,结束于原点,从而构成多边图形,该类形式适用于宽阔、无高级控制点的地区。②附和导线:起始于某高层次的已知点,结束于不同的高层次已知点,该类形式适用于狭长地带,如公路、铁路。③支导线:导线从已知控制点,没有连接到一个已知点,不要回到原来的点,没有校核条件,该类导线适用于导线数目不足时的测图(在钢尺量距时由于量距精度低一般不超过两个点)。④结点导线:起始于多于3个的已知点,结束于1个或多余1个相同点,当增加校核条件时,其精度将被提高。⑤导线网:由一些闭合线路相连而成的网状结构,适合于项目测区很大的情况。2.3 导线测量的缺点①需要较多的观测要素,控制的范围较小,导线总长度容易影响导线精度。②要求分级布网,逐级加密,需考虑有较好的网形结构。③与GPS-RTK等技术方法相比,由于需要投入较多的人员和设备,使得推进速度较慢。2.4 导线选用 由于隧道内未有已知点,故选用支导线方式进行测量,依据隧道外的两个已知点作为起始观测点,将支导线引入,延伸至隧道内,并进行往返观测。33 具体项目技术方案3.1测量前准备在外业测量开始之前,先将甲方提供的相关数据资料在电脑上进行整理,并确认数据无误。根据实际测量的需要,提前选点埋石,方便外业完成 GPS 静态控制网,提高外业数据采集的效率。3.2 测量精度要求及坐标系统根据工程项目的需要,要求平面点位中误差≤±3cm,高程中误差≤±5cm。本次平面坐标系统采用 1980 西安坐标系,按高斯—克吕格投影 3 度分带,中央子午线 L0=117°,高程系统属 1985 国家高程基准,隧道内导线测量由于无法进行有效的复合,故采取往返测取平均值。3.3 仪器配备及人员安排仪器准备:中海达 8200G GPS 接收机五台,三脚架五副,钢卷尺 5 把,野外记录本五本,全站仪一台,棱镜两个,基座三个,矿灯三个。人员安排:测量员 5 人,内业处理 1 人,检查员 1 人3.4外业施测首先应视察并了解测区基本概况,并提前在测区范围内选取若干控制点,并埋石组成控制网,选点时注意应选择视野条件好的地方,周围最好不要存在高压线路以及房屋,最好两个 GPS 点能够通视,满足全站仪测量的要求。并有利于其他测量手段进行扩展与联测,且点位的基础应坚实稳定,易于长期保存,并且应有利于安全作业,点位应便于安置接收设备和操作,视野应开阔,被测卫星的地平高度角应大于 15°,最好交通应便于作业,并且按照其它按规程操作。完成外业静态观测后,要进行内页的数据解算,根据业主方提供的已知点数据,结算出控制网中其他点位的坐标及高程数据,之后利用已知点进行支导线测量,延伸至隧道内,往返测取平均值,之后设计贯通测量方案。3.5内业数据处理静态数据采用 HDS2003 数据处理软件进行基线解算和平差计算,通过已知点推算出控制网内其他点坐标和高程数据。导线数据利用南方平差易软件进行计算,并设计贯通方案,计算贯通点。4 工程实例应用4.1工程概况古雷区域引水工程位于福建省漳浦县、云霄县及古雷半岛。取水口布置在峰头水库拦河坝上游的左岸,线路经过石门、炉内埔、大殿山、漳江、新埔、下园、石狮头、324 国道、双尖山、湖村、松坪湖、荷步村进入古雷半岛,终点在古雷镇规划的古雷第二水厂。输水管线总长 49.6 公里,其中隧道 5段长 25.6 公里,管道 5 段长 24.0 公里。其中需要进行贯通测量处为第二标段,范围为:324 国道~荷步隧道、管道工程。线路全长 9278.066,其中隧洞长 7013.232m,管道长 2264.834m。4.1.1 测区概况古雷区域引水工程输水线路起于峰头水库,终点至规划的古雷二水厂,引水规模 40 万 t/d。输水线路总长度约 49.6 公里,其中隧洞约 25.4 公里,管道约 24.2 公里。其中第二标段范围 324 国道~荷步的隧洞、管道工程。线路全长 9278.066m,其中隧洞 7013.232m,管道 2264.834m。隧道总分为五个洞口同时开始掘进,其中 1 号洞与 2 号洞需贯通,2 号洞与 3 号洞需贯通,3 号洞与 4 号洞需贯通,4 号洞同 5 号洞需贯通。 44.1.2 已有数据业主方提供 C、D 级 GPS 控制点 N13、DN23、DN30 及 DN39 为起算点,采用边连接式进行布设,外业采用 5 台中海达 8200G 接收机进行观测,观测的时间大于 60 分钟,卫星高度角大于 15 度,有效观测卫星数大于 4 颗,数据采样间隔为 15 秒。外业操作均按《规范》和《设计书》规定执行。4.1.3 作业技术依据《全球定位系统(GPS)测量规程》(CH/T 2001-92); 《工程测量规范 》(GB 50026-2007);漳州古雷半岛供水工程设计书;《国家三、四等水准测量规范》(GB/T 12898-2009)。4.2GPS 控制网平差报告4.2.1 计算说明:①平面坐标系统采用 1980 西安坐标系,按高斯—克吕格投影 3 度分带,中央子午线 L0=117°,高程系统属 1985 国家高程基准。②GPS 网共布设 15 个 E 级 GPS 控制点,其中 7 个为新设 GPS 控制点。控制网利用业方提供C、D 级 GPS 控制点 N13、DN23、DN30 及 DN39 为起算点,采用边连接式进行布设,外业采用 5 台中海达 8200G 接收机进行观测,观测的时间大于 60 分钟,卫星高度角大于 15 度,有效观测卫星数大于 4颗,数据采样间隔为 15 秒。外业操作均按《规范》和《设计书》规定执行。③内业采用 HDS2003 数据处理软件进行基线解算和平差计算。共处理了 70 条基线,重复基线12 条,组成 42 个同步环,33 个异步环。首先在 WGS-84 坐标系统下进行无约束平差,在确定的有效观测量的基础上,利用 N13、DN23、DN30 及 DN39 的已知坐标及高程进行约束平差。经平差计算,控制网中 GPS 网边长最弱边(A4—DN27)相对中误差为 1: 27304,最弱点(A5-2)平面中误差为 0.58cm、最大高程(DN20)中误差为 0.83cm,精度满足《规范》和《设计书》要求。4.2.2 GPS 网图图 4.2.2 GPS 网图4.2.3 坐标系统 坐标系名称:1980 西安坐标 椭球长半轴 a:6378140.000000 椭球扁率 f:1/298.257000 投影名称: 高斯投影尺度:1.000000 投影高 :0.000000 X 加常数:0.000000 Y 加常数:500000.000000平均纬度:000:00:00.000000N 中央子午线:117:00:00.000000E 5表 4.2.4 平差基线边(仅列举部分,总共 70 条基线边)DX(m) DY(m) DZ(m) 距离 中误差 (m)序号 基线名 改正数 (m) 改正数 (m) 改正数 (m) 改正数 (m) 相对误差267.4121 278.1509 -318.0556 500.0365 0.00721 A1→DN17.2881-0.0038 -0.0011 0.0017 -0.0037 1: 69222107.9216 9.9207 49.8209 119.2795 0.00822 A1→DN20.28810.0057 -0.0088 -0.0049 0.0024 1: 145331377.3404 598.1379 172.5731 1511.4949 0.00793 A1→DN39.2881-0.0078 0.0011 0.0003 -0.0066 1: 192190-1216.2029 -1014.2557 724.2864 1741.3945 0.00884 A1→N13.28810.0330 -0.0541 -0.0265 -0.0025 1: 198398-902.9565 -312.4982 -278.0402 995.1341 0.00385 A2→A3.28830.0013 -0.0008 0.0001 -0.0009 1: 2620502667.9224 1119.4589 508.0187 2937.5298 0.00556 A2→DN17.2882-0.0037 -0.0107 -0.0039 -0.0082 1: 536970188.7686 125.8909 60.0017 234.6961 0.00567 A2→DN21.28820.0019 0.0025 0.0001 0.0029 1: 41754表 4.2.5 平面距离平差值 (列举部分)起点 终点 北方向 误差(m)中误差 (m)东方向 误差(m)中误差 (m)平距 方位角 中误差 (m)相对误差A1 DN17-341.9884 0.0021 -364.4665 0.0041 499.7918 226.82240.0046 1: 108159DN2061.8469 0.0026 -100.5679 0.0031 118.0633 301.59050.0040 1: 29214DN39195.2202 0.0021 -1498.6792 0.0040 1511.3405277.42160.0045 1: 334024N13 804.6742 0.0021 1544.2568 0.0040 1741.329862.4771 0.0045 1: 384853A2 A3 -307.4915 0.0021 946.3672 0.0027 995.0688 107.99990.0035 1: 288333DN17551.0547 0.0026 -2885.4291 0.0029 2937.5777280.81210.0039 1: 749135DN2144.0580 0.0037 -225.6457 0.0030 229.9067 281.04820.0047 1: 48845DN23746.6112 0.0021 223.7522 0.0021 779.4186 16.6830 0.0030 1: 258674DN25-578.2326 0.0024 743.0777 0.0030 941.5505 127.88860.0038 1: 248860DN26-379.9709 0.0025 1612.3938 0.0030 1656.5602103.26020.0039 1: 424850N13 1697.7172 0.0021 -976.7058 0.0021 1958.6214330.08800.0030 1: 650021A3 DN231054.1027 0.0025 -722.6151 0.0030 1278.0082325.56830.0040 1: 323343DN25-270.7410 0.0027 -203.2895 0.0035 338.5666 216.90150.0044 1: 76630DN26-72.4794 0.0027 666.0265 0.0034 669.9586 96.2107 0.0044 1: 152751A4 A5-1-578.3296 0.0031 3239.3629 0.0034 3290.5831100.12250.0046 1: 716317A5 -648.3907 0.0036 3022.6105 0.0038 3091.3726102.10720.0052 1: 589062DN24337.8285 0.0041 -1025.6149 0.0035 1079.8213288.23140.0054 1: 2002476表 4.2.6 平面坐标N E 误差椭圆序号 点名中误差 (m) 中误差 (m) 中误差 (m) E(m) F(m) ET(D:M:S)2654913.5968 536705.58521 A10.0021 0.0040 0.0045 0.0041 0.0020 77°20′55″2654020.5538 539226.54782 A20.0021 0.0021 0.0030 0.0023 0.0019 134°23′06″2653713.0623 540172.91513 A30.0025 0.0030 0.0040 0.0033 0.0022 121°41′05″2653287.4662 541264.21514 A40.0031 0.0033 0.0045 0.0039 0.0023 132°09′02″2652709.1366 544503.57805 A5-10.0022 0.0030 0.0037 0.0032 0.0020 110°51′03″2652884.9643 544355.60566 A5-20.0027 0.0051 0.0058 0.0052 0.0026 101°45′43″2652639.0755 544286.82567 A50.0029 0.0037 0.0047 0.0040 0.0024 120°58′36″2654571.6085 536341.11878 DN170.0020 0.0027 0.0034 0.0028 0.0020 80°02′45″2654975.4437 536605.01739 DN200.0026 0.0042 0.0050 0.0042 0.0026 84°51′23″2654064.6119 539000.902110 DN210.0035 0.0028 0.0045 0.0036 0.0028 164°29′10″2654767.1650 539450.300011 DN23***** ********** ***** *****2653625.2948 540238.600212 DN240.0042 0.0039 0.0058 0.0050 0.0028 138°59′10″2653442.3213 539969.625513 DN250.0024 0.0030 0.0038 0.0032 0.0022 119°14′19″2653640.5829 540838.941614 DN260.0026 0.0029 0.0039 0.0032 0.0022 124°40′33″2653369.8316 541321.550715 DN270.0027 0.0030 0.0040 0.0034 0.0022 125°35′33″2652352.0539 544333.770816 DN290.0027 0.0033 0.0043 0.0036 0.0024 119°11′59″2651472.0940 544743.051017 DN30***** ********** ***** *****2655108.8170 535206.906018 DN39***** ********** ***** *****7表 4.2.7 高程拟合表 4.2.8 最终坐标平差值x y 正高(m)点名中误差 (m) 中误差 (m) 中误差 (m) 平面中误差2654913.5968 536705.5852 31.4269A10.0021 0.0040 0.0079 0.00452654020.5538 539226.5478 21.2589A20.0021 0.0021 0.0040 0.00302653713.0623 540172.9151 34.2266A30.0025 0.0030 0.0042 0.00402653287.4662 541264.2151 72.3657A40.0031 0.0033 0.0052 0.00452652709.1366 544503.5780 11.2316A5-10.0022 0.0030 0.0064 0.00372652884.9643 544355.6056 36.1166A5-20.0027 0.0051 0.0079 0.00582652639.0755 544286.8256 11.0792A50.0029 0.0037 0.0069 0.00472654571.6085 536341.1187 15.5079DN170.0020 0.0027 0.0065 0.00342654975.4437 536605.0173 14.4287DN200.0026 0.0042 0.0083 0.0050点 名 正高(m) 中误差 (m)A1 31.4269 0.0079A2 21.2589 0.0040A3 34.2266 0.0042A4 72.3657 0.0052A5-1 11.2316 0.0064A5-2 36.1166 0.0079A5 11.0792 0.0069DN17 15.5079 0.0065DN20 14.4287 0.0083DN21 68.4608 0.0053DN23 14.9530 DN24 53.0965 0.0063DN25 83.3492 0.0043DN26 69.0876 0.0040DN27 67.9229 0.0048DN29 11.0148 0.0065DN30 2.4800 DN39 8.8320 N13 13.9020
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