1引言
由于中东某区块工区二维山地石油勘探项目的地理条件和甲方合同技术要求,测量GPS控制网观测存在以下困难:
1.1工区地形困难及测线分散
中东某区块二维山地石油勘探项目位于中东南部。测线分布呈西北-东南方向的狭长条形,工区南北跨度约380公里,东西跨度约198公里,且基本所有测线横穿或垂于陡峭的山脉,工区内地质条件差,工区内山地占93%左右,地形起伏较大,悬崖峭壁、深沟及断崖居多,而且地表落差从几十米到上千米,测量数据采集难度大,这给物探测量施工带来很大的难度。
1.2甲方技术要求
在GPS网观测过程中,必须保证任意两个GPS点间距离不得超过15公里,GPS流动站到GPS参考站距离不得超过8公里,GPS网静态观测后,必须确保GPS网有足够的图形强度。按照测量监督设计的GPS网进行GPS网点实地踏勘,很多GPS设计网点远离公路,且位于极其困难地形。大部分GPS点至少需要徒步三个小时才能到达设计点位,有些GPS点- 一两天才能静态观测一批,还有点位根本无法完成。综上两方面因素:GPS网观测效率非常低,预计整个项目的GPS网静态观测时间近40天。
2本文研究的主要内容
模拟GPS观测过程中,分别以GPS接收机的标称精度来确定GPS控制网基线向量权,应用GPS控制网整体平差理论通过计算机编程来实现GPS控制网的点位精度和可靠性进行估算。并结合伊朗Pasian二维山地GPS网模拟算例实现GPS控制网的点位精度和可靠性估算,进行程序设计和算法实验。并通过中东某区块二维山地某期生产实测的GPS控制网对软件进行检测,比较估算的点位精度和实测的点位精度是否有差异,如果存在差异,分析差异产生的原因,以及怎样去克服。
3模拟GPS控制网点位精度估算的数学模型
3.1模拟GPS基线向量观测值
在GPS控制网点位精度估算的过程中以几何方式-传统方法强调:在GPS控制网点位精度估算方面,直接利用测量仪器的标称精度作为观测量(边长、角度)的精度指标来进行整个控制网的精度估算。在实测过程中,同一时段观测的多条极限向量都具有一定相关性。各条基线相互独立且同一条基线向量的两个分量既独立又等精度。基线解算结果为基线i,j在WGS84坐标系中的二维坐标差为和其协方差矩阵。
3.2 测量控制网精度估算原理
GPS控制网设计时,采用直接估算控制点二维精度的方法。设有二维基线向量观测值,其相应的误差方程式系数阵为:
(1)
GPS边长方差计算公式为:
(2)
GPS方位角方差计算公式: (3)
两点二维坐标差为: (4)
微分关系式为: (5)
基线向量观测值的协方差阵为:
(6)
基线的权为 (7)
有了误差方程式和就可以组成法方程子阵
(8)
总法方程为:
(9)
未知数的方差阵为
(10)
误差椭圆元素为
(11)
4 测量控制网点位精度估算的程序设计与实现
4.1软件构架设计
GPS测量控制网点位精度估算程序框架图
4.2软件逻辑模型
GPS测量控制网点位精度估算软件逻辑模型图
5应用举例
5.1中东某区块GPS网模拟算例
本课题选择了中东某区块二维山地某期GPS控制网为模拟算例,设计了三种布网方案(方案1、方案2与方案3)。三种方案中01代表343-002,02代表343-003,03代表PS29,04代表PS30,05代表PS31,06代表PS32;01和02为已知起算点,其它为未知待定点。
伊朗帕山某期GPS网模拟的布网方案图
观测计划方案及各点模拟坐标表
注:中东某区块坐标系统WGS84采用UTM 39North或UTM 40North。
观测时段为1个半小时的三种方案的点位精度估算评定表
上表是以估算基线向量精度基线权得到WGS84坐标系下各GPS网点位的精度-包括GPS点位中误差及误差椭圆。
中东某区块测量控制网三种方案点位精度可靠性统计
模拟GPS网的三种布网方案的点位估算误差椭圆图
其中以仪器标称精度(GPS接收机边长误差±5mm+1ppm和GPS接收机方位角误差±1s+1s/km)定基线权得GPS控制网点位在WGS84-UTM坐标系下的点位精度。经过比较分析估算结果(点位精度估算评定表、GPS点位估算可靠性统计表及点位估算误差椭圆图)选择方案2,这样GPS控制网点位精度既能够满足技术要求,同时网形又具有足够的可靠性。
5.2中东某区块GPS网实测算例与估算结果比较和分析
观测时段一个半小时GPS网的设计方案2模拟与实测比较表
以仪器标称精度确定基线权得到GPS网点位在地方独立坐标系的精度,我们按照方案2进行GPS网的某期静态观测,对估算精度与实测平差精度进行了比较。
5.3 中东某区块GPS点位精度估算与实测平差的比较结论
1、中东某区块某期测量控制网实测点位精度为±1.49-±2.05cm,并没有超出估算结果。
2、尽管测量控制网图形结构不是很强,但保证测量控制网点位观测精度。
3、按照设计方案2进行测量控制网静态观测,可将测量GPS参考站点布设在远离路边100米左右的空旷地带,方便于测量控制点位永久性标志的埋置、测量控制网静态观测、测量后期GPS参考站架设搬迁及减少GPS流动站作业的等待时间,避免了测量控制网重测补测,提高了测量控制网静态效率;也有利于因后期测线二次设计而进行测量控制网点加密工作。
6结论及下一步计划
1、借助于中东某区块某期GPS控制网的模拟算例对所编程序及算法进行了实验,并结合GPS测量控制网实测算例,对估算结果和实测结果进行比较与分析,结果表明点位精度和可靠性估算完全符合技术要求。
2、在GPS测量控制网静态观测过程中无发生GPS测量控制网点位重测或补测。
3、按照GPS测量控制网点位估算结果确定GPS测量控制网静态观测方案,使整个中东某区块山地二维GPS控制网观测比预期计划节省了25天。提前完成测线总工作量:9km(5个或6个组)*23=225km,节约总成本约97.5万人民币。
4、为今后山地项目的GPS测量控制网布设观测提供了重要的技术支持。
5、下一步完善GPS控制网点位三维精度估算及加载GoogleEarth地图,以便实时查阅设计观测方案的GPS点位实地情况。
参 考 文 献
1 薄志强 现代大地控制网优化设计原理 1991年
2于来法 GPS隧道控制网的布设与精度设计《测量员》 1993年第5期3-9页
3 《误差理论与测量平差》第四章 间接平差 武汉大学测绘工程教案
4 《误差理论与测量平差》第六章 误差椭圆 武汉大学测绘工程教案
5 赵长胜 GPS控制网设计及数据处理 教育科学出版社 2001年