工程控制网坐标确定方法及系统

技术领域

本发明涉及工程施工测量与变形监测技术领域，尤其涉及一种工程控制网坐标确定方法及系统。

背景技术

采用GNSS全球定位技术和几何水准测量技术可快速、准确地获取工程控制网高精度相对位置数据，而工程建设期的施工放样及后期运营管理进行的工程变形监测需要工程控制网的绝对定位成果，即坐标和高程。因此需要根据工程控制网的已知点的数据和控制网的相对位置数据计算其余控制点在国家坐标和高程系统下或工程系下的坐标和高程成果。

现有技术一般通过联测国家高等级控制点作为控制网的已知点，根据高等级控制点的坐标，通过对控制网的相对位置数据进行平差计算，得到工程控制网控制点在国家坐标系下的坐标。但是，在实际测量工作中，国家高等级控制点获取困难或需要较长时间，特别是偏远地区国家高等级控制点稀少或缺失，同时联测国家高等级控制点时线路一般情况下较长，使得联测国家高等级控制点时需要投入大量的人力、物力，费时、费力，不利于工程建设项目的顺利实施。

采用基于北斗卫星导航系统的实时动态载波相位差分技术(BeiDou NavigationSatellite System-Real time kineMatic，GNSS-RTK)可获得控制网点国家大地坐标系下的坐标成果，然而，采用GNSS-RTK测量技术获取的控制点成果精度较低，无法满足高等级、高精度施工控制测量或变形监测测量的要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种工程控制网坐标确定方法及系统。

本发明公开了一种工程控制网坐标确定方法，其特征在于，包括：

步骤1、获取工程控制网上所有控制点间的相对位置数据，并将工程控制网两端控制点以及两端控制点之间的任一控制点作为已知点；

步骤2、获取所述已知点在国家大地坐标系下的数值；

步骤3、根据所述已知点在国家大地坐标系下的数值和所述相对位置数据，确定工程控制网的其余控制点在预设坐标系下的数值。

可选的，所述工程控制网为工程平面控制网，则所述步骤3具体包括：

根据所述已知点在国家大地坐标系下的数值，利用固定一点一方位法，对所述相对位置数据进行平差计算，确定所述工程控制网的其余控制点在工程坐标系下的数值。

可选的，所述工程控制网为国家平面控制网，则所述步骤3具体包括：

获取所述两端控制点之间的相对精度；

根据所述相对精度和预设精度的大小关系，确定所使用的平差计算方法；

利用所确定的平差计算方法，根据所述已知点在国家大地坐标系下的数值，对所述相对位置数据进行平差计算，确定所述工程控制网的其余控制点在国家大地坐标系下的数值。

优选的，所述平差计算方法包括二维约束平差法和固定一点一方位法。

根据所述已知点在国家大地坐标系下的数值，利用固定一点一方位法，对所述相对位置数据进行平差计算，具体包括：

将所述两端控制点之间的任一控制点作为起算点；

根据起算点以及工程控制网任一端的控制点在国家大地坐标系下的数值确定起算方位；

根据所述起算点、所述起算方位、预设的中央子午线经度值和预设的投影面高程值对所述相对位置数据进行平差计算。

优选的，所述中央子午线经度值为所述工程控制网起算点的经度值；所述投影面高程值为工程区平均高程值或预设建筑物的高程值。

可选的，所述工程控制网为高程控制网，则获取工程控制网上控制点间的相对位置数据，具体包括：

根据预设等级，对所有控制点进行几何水准测量，得到所有控制点间的高差数值，具体包括：

获取所述工程控制网两端控制点之间的任一控制点至两端任一控制点间的测量高差中误差以及线路闭合差；

根据所述测量高差中误差与所述线路闭合差之间的大小关系，确定几何水准测量的方式，对所有控制点进行几何水准测量，得到所有控制点间的高差数值；

所述几何水准测量的方式为闭合水准路线测量、附合水准路线或支线水准路线测量。

优选地，所述步骤3具体包括：

根据所述已知点在国家大地坐标系下的数值，利用与几何水准测量的方式对应的平差计算方法，对所述高差数值进行平差计算，确定所述工程控制网的其余控制点在国家高程系统下的数值；

所述平差计算方法为闭合几何水准路线平差法、附合几何水准路线平差法或支线几何水准路线平差法。

本发明还公开了一种工程控制网坐标确定系统，包括：

相对位置数据获取模块，用于获取工程控制网上所有控制点间的相对位置数据，并将工程控制网两端控制点以及两端控制点之间的任一控制点作为已知点；

数值获取模块，用于获取所述已知点在国家大地坐标系下的数值；

坐标确定模块，用于根据所述已知点在国家大地坐标系下的数值和所述相对位置数据，确定工程控制网的其余控制点在预设坐标系下的数值。

相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明直接获取控制网两端点及控制网中部任一点在国家大地坐标系下的坐标和高程数值，作为控制网的起算点，通过平差计算，得出控制网上其余控制点的坐标和高程，无需与国家高等级控制点联测，在保证控制网精度满足项目建设要求的同时节省了大量人力、物力、财力，缩短了项目工期；

(2)本发明将工程平面控制网两端控制点之间的任一控制点作为起算点，该点至控制网任意一端的已知点的坐标方位角作为起算方位，通过固定一点一方位的平差计算方法，可消除已知点的测量误差，进一步提高工程平面控制网的精度。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是利用GNSS-RTK测量技术，获取已知点在国家大地坐标系下的数值的示意图；

图3是工程平面控制网获取相对位置数据的示意图；

图4是在工程平面控制网中采取固定一点一方位法进行平差计算的示意图；

图5是闭合水准路线观测示意图；

图6附合水准路线观测示意图；

图7是本发明系统的结构示意图。

图中，101是相对位置数据获取模块；102是数值获取模块；103是坐标确定模块。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

如图1所示，本发明公开了一种工程控制网坐标确定方法，其特征在于，包括：

步骤1、获取工程控制网上所有控制点间的相对位置数据，并将工程控制网两端控制点以及两端控制点之间的任一控制点作为已知点；

在一个实施例中，相对位置数据包括所有控制点的平面相对位置数据以及高程相对位置数据。

如图3所示，本发明获取工程坐标系下所有控制点间的相对位置数据的方式具体为：使用双频GNSS接收机，采用静态相对定位模式按照预设等级的控制网观测要求观测，获取工程控制网上所有控制点间的相对位置数据。

步骤2、获取已知点在国家大地坐标系下的数值；

如图2所示，采用基于北斗导航定位系统的GNSS-RTK测量技术，测取控制网两端及中部的控制点A、B、C在国家大地坐标系下的数值。

步骤3、根据已知点在国家大地坐标系下的数值和控制点间的相对位置数据，确定工程控制网的其余控制点在预设坐标系下的数值。

在实施例1中，工程控制网为工程平面控制网，此时已知点在国家大地坐标系下的数值为国家大地坐标系下的平面坐标，预设坐标系为工程坐标系，相对位置数据为所有控制点的平面坐标相对数据，则步骤3具体包括：

根据已知点的平面坐标，利用固定一点一方位法，对相对位置数据进行平差计算，确定工程控制网的其余控制点在工程坐标系下的平面坐标。

利用固定一点一方位法，对相对位置数据进行平差计算，具体包括：

将两端控制点之间的任一控制点作为起算点；

根据起算点以及工程控制网任一端的控制点的在国家大地坐标系下的数值确定起算方位；

根据起算点、起算方位、预设的中央子午线经度值和预设的投影面高程值，进行平差计算。

在一个实施例中，工程平面控制网数据处理示意图如图4所示，将B点作为起算点，根据B、C两点在国家大地坐标系下的平面坐标计算B点至C点的方位角，将方位角作为起算方位，对相对位置数据进行平差计算。进一步地，本实施例的中央子午线经度值为B点的经度值，投影面高程为工程区平均高程值，对相对位置数据进行固定一点一方位的平差计算，得到工程控制网的其余控制点在工程坐标系下的平面坐标。在其他实施例中，投影面高程还可以是预设的建筑物高程值，如建立大坝的工程平面控制网时，投影面高程值为坝顶的高程值。

本发明将工程平面两端控制点之间的任一控制点作为起算点，该点至控制网某一端控制点的方位角作为起算方位，通过固定一点一方位的平差计算方法，可消除已知点平面坐标测量误差，进一步提高工程平面控制网的精度。

在实施例2中，工程控制网为国家平面控制网，此时已知点在国家大地坐标系下的数值为国家大地坐标系下的平面坐标，预设坐标系为国家大地坐标系，相对位置数据为所有控制点的平面坐标相对数据，则步骤3具体包括：

根据两端控制点的测量中误差，获取两端控制点之间的相对精度；

在本实施例中，根据GNSS-RTK测量的A、C两点的点位中误差确定A、C两点间的相对精度(相对中误差)，如下公式所示：

式中，m

A、C两点间的点位中误差根据A、C两点的测量精度确定，如下公式所示：

式中，m

对相对精度和预设精度进行比较，根据相对精度和预设精度的大小关系，确定所使用的平差计算方法，平差计算方法包括二维约束平差法和固定一点一方位法；

当相对精度满足预设等级对应的精度时，采用二维约束平差法或固定一点一方位法，当相对精度不满足预设等级对应的精度时，采用固定一点一方位法。

在一个实施例中，国家平面控制网的精度等级要求为二等，对应的预设精度为1/250000，相对精度(即相对中误差)与预设精度的关系应满足：m

在另一个实施例中，国家平面控制网的精度等级要求为三等，对应的预设精度为1/150000，相对精度(即相对中误差)与预设精度的关系应满足：m

进一步地，在上述两个实施例中，平差计算完以后，还包括：以B点作为检核点，对计算结果的可靠性进行检核。

在其他实施例中，当相对精度与预设精度的不满足任一国家平面控制网的精度等级要求时，可利用固定一点一方位法进行平差计算。

利用固定一点一方位法对相对位置数据进行平差计算，具体如下所述：

与实施例1类似的，将B点作为起算点，根据B、C两点在国家大地坐标系下的平面坐标计算B点至C点的坐标方位角，将坐标方位角作为起算方位，进行平差计算。本实施例的中央子午线经度值为国家平面控制网所在坐标投影带的中央子午线经度值，投影面高程为0m，进行国家平面控制网固定一点一方位的平差计算，得到其余控制点在国家大地坐标系下的平面坐标。

本发明直接获取控制网两端点及两端控制点之间的任一控制点在国家大地坐标系下的数值，作为控制网的起算点，通过对工程控制网上控制点间的相对位置数据进行平差计算，得出控制网上其余控制点在预设坐标系下的数值，无需与国家高等级控制网联测，在保证控制网精度满足项目建设要求的同时节省了大量人力、物力、财力，缩短了项目工期。

在实施例3中，工程控制网为高程控制网，则获取工程控制网上所有控制点间的相对位置数据，具体包括：

根据预设等级，对控制点进行几何水准测量，得到所有控制点间的高差数值。

实施例3中，相对位置数据指的是控制点间的高差数据，由数字水准仪进行几何水准测量获得，已知点在国家大地坐标系下的数值为已知点在国家大地坐标系下的高程数据，预设坐标系为国家高程系统。

具体的，实施例3中获取高差数据的过程如下：

采用数字水准仪按照预设等级对控制网上的所有控制点进行几何水准测量，获取所有控制点间的高差数值。根据不同预设等级的精度要求，可采用不同的几何水准路线观测方法，几何水准测量的方式包括闭合水准路线测量(如图5所示)、附合水准路线测量(如图6所示)或支线水准路线测量。

根据预设等级，对控制点进行几何水准测量，得到所有控制点间的高差数值，具体为：

获取预设等级下，工程控制网两端控制点之间的任一控制点至两端控制点间的测量高差中误差以及线路闭合差；

根据测量高差中误差与线路闭合差之间的大小关系，确定几何水准测量的方式，对已知点进行几何水准测量。

如图6所示，在本实施例中，如采用附合水准路线法进行测量，高差中误差与线路闭合差应满足以下关系：m

式中：m

线路闭合差的计算公式如下：

式中：M

高差中误差的计算公式如下：

式中：m

GNSS-RTK测量B-C或B-A的高差中误差m

式中：m

几何水准测量中误差m

式中：M

在一个实施例中，几何水准测量精度的预设等级为三等，对应的全中误差为6mm，将三等全中误差值，以及m

在另一个实施例中，几何水准测量精度的预设等级为二等，对应的全中误差为2mm，将二等全中误差值，以及m

在另一个实施例中，几何水准测量精度的预设等级为一等，对应的全中误差为1mm，将一等全中误差值，以及m

当本实施例中，如控制网两端控制点之间的已知点分别到两端已知点(即B-C和B-A)的直线距离均无法满足对应预设等级下的距离要求时，则采用闭合水准路线测量法或支线水准路线测量法。

进一步地，实施例3中，已知点的高程数据为基于GNSS-RTK测量技术的大地高成果。基于GNSS-RTK测量技术的大地高成果，需要转换为正常高成果，才能进行平差计算。

实施例3利用EGM2008模型将A、B、C三点的大地高成果转换为正常高成果，具体过程如下：

将A、B、C三点测量的大地高高程值输入EGM2008模型，在EGM2008模型中获取A、B、C三点的高程异常值，大地高减高程异常即为正常高。

获得高差数值和正常高数据后，步骤3具体包括：

利用与几何水准测量的方式对应的平差计算方法，对高差数值进行平差计算，确定高程控制网的其余控制点在国家高程系统下的数值；

平差计算方法为闭合几何水准路线平差法、附合几何水准路线平差法或支线几何水准路线平差法。

利用闭合几何水准路线平差法对高差数值进行平差计算，具体包括：

以B点为起算点，分别对图5中的BC环和BA环中各个控制点的高差数值进行平差计算，获取高程控制网中各点的高程值。

利用附合几何水准路线平差法对高差数值进行平差计算，具体包括：

以B点为起算点，分别对图6中的B-C和B-A附合水准路线中各个控制点的高差数值进行平差计算，获取高程控制网中各点的高程值。

采用支线几何水准路线平差计算法，过程如下：

以B点为起算点，分别对图5中的BC支线和BA支线中各个控制点的高差数值进行平差计算，获取高程控制网中各点的高程值。然后以A、C两点作为校核点，对支线成果进行校核。

如图7所示，本发明还公开了一种工程控制网坐标确定系统，其特征在于，包括：

相对位置数据获取模块101，用于获取工程控制网上所有控制点间的相对位置数据，并将工程控制网两端控制点以及两端控制点之间的任一控制点作为已知点；

数值获取模块102，用于获取已知点在国家大地坐标系下的数值；

坐标确定模块103，用于根据已知点在国家大地坐标系下的数值和相对位置数据，确定工程控制网的其余控制点在预设坐标系下的数值。

相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明直接获取控制网两端点及两端控制点之间的任一控制点在国家大地坐标系下的坐标和高程数值，作为控制网的起算点，通过平差计算，得出控制网上其余控制点的坐标和高程，无需与国家高等级控制点联测，在保证控制网精度满足项目建设要求的同时节省了大量人力、物力、财力，缩短了项目工期；

(2)本发明将工程平面控制网两端控制点之间的任一控制点作为起算点，该点至控制网任意一端的已知点的坐标方位角作为起算方位，通过固定一点一方位的平差计算方法，可消除已知点的测量误差，进一步提高工程平面控制网的精度。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。