GNSS静态测量在超高层建筑施工测量平面控制网中的应用.pdf

创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期GNSS 静态测量在超高层建筑施工测量平面控制网中的应用张孝斌1，黄瑞2，马国清2（1.甘肃省建设投资（控股）集团有限公司，兰州 730050；2.甘肃第六建设集团有限公司，兰州 730050）新时代，我国经济快速发展，超高层建筑从无到有，高度不断攀升。建筑控制测量是保证建筑质量和安全的基础，控制测量为建筑施工建立了统一的、高精度空间位置基准，是施工测量的关键性重点工作。随着建筑越来越高，控制测量的精度要求也越高，超高层建筑对控制测量精度提出了更严的要求。控制测量分为平面控制测量和高程控制测量，其平面控制测量一直是超高层建筑控制测量的难点，超高层建筑一般位于中心城市的繁华地段，用地紧张，施工场地狭小，周边高大建筑多，环境复杂，对 GNSS 定位影响较大，通过调研和文献查询，目前全球导航卫星系统（GNSS，GlobalNavigation Satellite System）在超高层控制测量中的应用较少，复杂环境下 GNSS 应用更少，通过探索 GNSS定位技术在复杂环境条件下，超高层建筑一级、二级和三级平面控制网中的创新应用，高精度、高效和快速提供控制测量成果，为超高层控制测量提供案例参考。1GNSS控制测量技术简介2020 年我国北斗全球卫星导航系统全面建成，北斗是中国自主研制、自主发展、独立运行的 GNSS 系统，目前已建成的全球定位系统除了中国的北斗卫星导航系统 COMPASS（或 BDS），还有 GPS（美国）、GLONASS（俄罗斯）、Galileo（欧洲）。GNSS 控制测量一般采用相对定位技术，即差分 GNSS 定位技术，其基本原理是采用两台或两台以上 GNSS 接收机同步观测天空中相同的 GNSS 卫星，计算出两台接收机天线位置构成的基线向量（基线两端的坐标差），若已知基线一端坐标，由基线向量，推算基线另一端坐标，如图 1 所示。根据接收机所处状态分为 GNSS 静态控制测量和RTK 控制测量，RTK 控制测量根据基站类型又可分为单基站 RTK 控制测量和网络 RTK 控制测量。就精度而言，GNSS 静态控制测量能达到毫米级，可以满足高精度控制测量的要求，而 RTK 控制测量能达到厘米级满足一般精度的控制测量要求。2GNSS在超高层建筑施工平面控制测量中的优势目前建筑施工平面控制测量的技术主要有：建筑方格网控制测量、卫星定位控制测量、全站仪导线控制测量和三角网控制测量。超高层建筑施工平面控制网摘要：施工测量平面控制测量是超高层建筑施工测量的重点工作，是质量控制的关键环节，通过探索超高层建筑复杂环境条件下基于 GNSS 静态测量的施工平面控制网测量技术方案和工程实践，详细阐述 GNSS 静态测量在超高层建筑施工测量平面控制网中的具体应用过程，获得高精度的测量基准，在超高层建筑等复杂工程中具有一定的参考和推广价值。关键词：GNSS 定位；控制测量；超高层建筑；平面控制网；高精度中图分类号院TB22文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤31-0005-05Abstract:Construction survey plane control survey is the key work of super high-rise building construction survey and the keylink of quality control.By exploring the technical scheme and engineering practice of construction plane control network surveybased on GNSS static survey under the complex environment of super high-rise building,the specific application process of GNSSstatic survey in super high-rise building construction survey plane control network is described in detail,and a high precision surveydatum is obtained.It has a certain reference and promotion value in complex projects such as super high-rise buildings.Keywords:GNSS positioning;control survey;super high-rise building;plane control network;high precision基金项目：甘肃省建设科技攻关项目（JK2021-37）；甘肃建投科技攻关项目（JTKE-2019-01）第一作者简介：张孝斌（1966-），男，正高级工程师。研究方向为超高层施工与装备，装配式建筑，建筑绿色化、智能化、信息化等。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.31.0025-2023 年 31 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application一般分为三级，即一级平面控制网（也称首级平面控制网）、二级平面控制网和三级平面控制网。一级平面控制网一般采用 GNSS 静态测量；二级平面控制网通常沿施工现场周边布设，通常以全站仪导线测量为主；三级平面控制网一般由建筑物外廓主要轴线点作为控制点组成，通常由全站仪从二级平面控制点直接放样定位并检核。全站仪导线测量和全站仪放样定位，需要控制点相互通视，作业劳动强度高。采用 GNSS 静态测量同步观测一级、二级和三级控制网，可快速实现控制网高精度测量和检核，有效提高作业效率。但超高层建筑施工场地狭小，周围建筑多、环境复杂，对 GNSS 接收卫星信号遮挡严重、多路径效应明显，也给 GNSS 静态观测带来了一定的挑战。图 1GNSS 相对定位技术原理图3超高层建筑GNSS静态测量施工平面控制网的技术方案3.1GNSS 控制网的布设GNSS 控制网的布设是 GNSS 静态测量成果质量的关键性工作，应考虑的因素较多，如点位的用途、密度、位置、通视条件和分布等，点位选择宜远离高压线、钢筋堆放区、施工围挡、大功率无线电发射源及大面积水域。3.2观测方案综合考虑 GNSS 控制网中控制点的数量、投入GNSS 接收机的数量、技术人员数量及观测精度要求，确定观测方案，考虑到超高层建筑控制网点位密度大、观测条件复杂，为提高观测精度，尽可能选用同步观测，异步网观测时选择边连式异步网。3.3观测时段选择超高层建筑周边环境复杂，对 GNSS 接收机遮挡严重，为确保可见卫星达到 4 颗以上，卫星的几何图形响度 PDOP 值不超过 6，宜根据卫星星历预报选择最佳观测时段。同时考虑到超高层建筑受日照影响结构变形较大，避免在 11：0015：00 直接观测。3.4GNSS 接收机的选择目前在全球四大 GNSS 中，我国上空通常北斗卫星的数量最多，明显提高了复杂观测条件下接收机可见卫星的数量，故宜选择支持全星座多频段技术，支持北斗 B1、B2、B3 频段，静态 GNSS 测量精度不超过依（2.5 mm+1.0 PPM）的接收机，目前大多国产 GNSS接收机均能满足技术要求，且性价比高。3.5观测作业GNSS 作业观测较为简单、劳动强度小，GNSS 观测作业过程主要有安置仪器、设置工作模式（静态）和设置采集参数（采用间隔和卫星截止角）。作业观测时有以下几点注意事项：淤在预定观测开始时间之前一般需要经过 10 min 左右的预热和静置，使仪器与工作环境温度一致，完成搜星和捕获 GNSS 卫星信号；于GNSS 天线高量取至少测前和侧后两次，两次互差不超过 3 mm，取平均值作为仪器高；盂观测作业需严格遵守观测计划，按计划时间同步观测，当其中一个测站有问题时，应及时通知作业负责人，调整观测计划；榆观测期间测量人员应注意避免施工现场各类施工车辆、机械的震动引起GNSS 接收机的震动和移动，防止人员、车辆和机械遮挡信号；虞在作业过程中，防止高空坠物，临边作业安全风险。3.6GNSS 静态数据处理方案GNSS 静态数据处理的一般步骤为数据导入、基线处理、闭合环检核和网平差，如图 2 所示。考虑超高层建筑周围环境复杂，基线解算时采用间隔适当加大、卫星高度角根据观测环境适当增大和剔除不合格观测数据等方式，提高解算精度和质量。4应用实例4.1项目概况兰州某新建超高层建筑（图 3），建筑高度249.45 m，49 层，施工现场如图 3（b）所示，施工场地小、周边高层建筑多，场地环境复杂。4.2GNSS 控制网的布设选择场地为 2 个厂区控制点 A1 和 A2 作为该超S1S4S3S2接收机接收机卫星6-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期图 5北斗星历预报高层的一级控制点；在施工场地内适当位置布置相互通视的控制点 B1 和 B2 作为二级控制点；建筑轮廓轴线的内控点 C1、C2、C3 和 C4 作为三级控制点，如图 4所示。图 2GNSS 静态数据处理流程图渊a冤超高层建筑效果图渊b冤超高层建筑施工现场图图 3兰州某在建超高层建筑效果图和施工现场图4.3观测方案选取了 A1、A2、B1、B2、C1 和 C4 共 6 个控制点，采用 6 套 GNSS 接收机同步观测，考虑到观测环境条件复杂，计划观测时间为 120 min。4.4观测时段选择由于超高层施工面作业密集，观测窗口期仅 12d，通过查询 GNSS 星历预报，选取观测条件较好的观测时段为 15：3017：30。观测期间 GNSS 全星座 GPS+BDS+GLONASS+Galileo 可见卫星数量达到 32 颗左右，PDOP 值 1.04；GPS 可见卫星数量达到 7 颗左右，PDOP 值 2.90；北斗卫星数量达到 13 颗左右，PDOP 值1.89，如图 5 所示。图 4施工平面控制网布置图输入控制点自动化网平差数据导入设置坐标系系统控制网限差要求基线处理设置解算参数选择参与星座否是不合格闭合环检核合格网平差输出成果固定解？1512.5107.552.504321023-4-22 8:0:023-4-22 11:0:023-4-22 14:0:023-4-22 17:0:0时间23-4-22 8:0:023-4-22 11:0:023-4-22 14:0:023-4-22 17:0:0BDS 可见卫星数量时间:23-04-22 16:0:0卫星数量:13时间:23-04-22 14:49:55GDop:2.291 79PDop:1.889 51HDop:0.877 922VDop:1.673 1TDop:1.296 93BDS 卫星 DOP 值GDOPPDOPHDOPVDOPTDOP7-2023 年 31 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application图 7B2 点 GNSS 静态数据观测数据4.5GNSS 接收机选型选用国产 GNSS 接收机科力达 K6 测量系统，直径为 175 mm，高为 83 mm，重量 1.06 kg，IP67 级防水，抗2 m 跌落，支持全星座 GPS+BDS+GLONASS+Galileo+QZSS，支持全频点 16 频，静态测量精度平面为依（2.5mm+0.5伊10-6D），高程为依（5 mm+0.5伊10-6D），其中 D 为所测量的基线长度。4.6观测作业严格按照观测计划作业（图 6），GNSS 接收机开始观测前，预热 10 min，然后采用测高片量取仪器高，设置采集间隔 5 s，卫星截止角 15毅，6 台 GNSS 接收机同步观测 2 h。图 6GNSS 观测作业现场图4.7GNSS 静态数据处理采用南方 SGO 数据处理软件，进行 GNSS 静态数据处理。数据导入。新建工程设置椭球为 CGCS2000，中央子午线为 105毅，投影高为 1 500 m。数据导入加载后，设置仪器高量取方式为测高片，并修改和核对仪器高。基线处理。超高层周围观测环境复杂，严重影响接收机获取卫星信号。经过对静态观测数据分析，以 B2测站数据为例（图 7），观测北斗卫星数据质量远远优于 其 他 卫 星 系 统（图 7 中，G 代 表 GPS，R 代 表GLONASS，C 代表北斗），故数据处理时仅选择北斗卫星，基线解算时卫星截止角选择 2030毅，采集间隔 515 s。待基线处理完成后，需要对基线和闭合环进行检核，对非固定解的基线或不合格闭合环，通过不断调整基线解算参数、剔除不超过 10%的基线或剔除观测较差的部分数据等方式，使全部基线固定解，闭合环误差符合要求后，基线处理工作完成。网平差处理。基线和闭合环检核合格后，需要对控制网进行平差处理，以一级控制网 A1 和 A2 作为已知控制点，首先进行无约束三维网平差，得到自由平差结果为先验单位权中误差为 0.001 m、后验单位权中误差为 0.002 m，中误差为 0.000 m，精度满足要求；然后进行二维约束网平差，得到二维平差结果为先验单位权中误差为 0.001 m、后验单位权中误差为 0.002 m，中误差为 0.001 m，精度满足要求。网平差完成后得到控制网坐标值（表 1）。渊下转 13 页冤8-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期语概念研讨会EB/OL.(2022-09-15).http:/ 张毅.元宇宙各国政策及发展布局J.宁波经济（财经视点），圆园圆圆（苑）：源远原源苑援7 中华人民共和国国务院.中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要R.2021.8 中国政府网.中共中央 国务院印发 数字中国建设整体布局规划 EB/OL.（圆园圆猿原园圆原圆苑）援澡贼tp:/ 何继新，侯宇，李天一援中国新型基础设施发展的理论进展及未来展望J.区域经济评论，圆园圆圆（缘）：员缘员原员远园援10 马小雅，童锦，陆建波，等援元宇宙应用探索与展望J.广西科学，圆园圆猿，猿园（员）：员原员猿援11 SAMSUNG.6G-The Next Hyper-Connected Experience forAllR.Korea:Samsung Research,2020.12 张勇敢，章伟飞，张森洪.1耀6G 移动通信系统发展综述J.信息与电脑（理论版），圆园圆园，猿圆（员苑）：员缘苑原160.13 高娅楠，王慧娟，王喆，等.算力网络助推金融元宇宙的落地J.邮电设计技术，圆园圆猿（圆）：员原缘援14 雷波，刘增义，王旭亮，等援基于云、网、边融合的边缘计算新方案:算力网络J.电信科学，圆园员怨，猿缘（怨）：源源原缘员.15 菲利普 托尔,魏宏峰.人工智能赋能元宇宙发展J.张江科技评论，圆园圆圆（缘）：圆源原圆8.16 王小根，周乾援孪生场馆：融入数字孪生的虚实共生学习空间J.现代教育技术，圆园圆员，猿员（苑）：缘原员员援17 郭泱泱.元宇宙技术在煤矿安全培训和应急演练中的可行性研究J.煤田地质与勘探，圆园圆圆，缘园（员）：员源源-员源愿援18 郭熙.“元宇宙”视野下南通红色文化云展馆的规划与设计J.辽宁丝绸，圆园圆猿（圆）：远远原远苑援19 唐洁，丁丹援元宇宙视野下数字藏品的发行价值与发展策略J.出版广角，圆园圆圆（圆员）：怨员原怨源援20 王旗，孙贤，郭誉聪援元宇宙背景下数字藏品的现状与出路J.出版广角，圆园圆圆（员愿）：圆源原猿2.21 于剑.元宇宙与演艺产业的转型及发展J.人文天下，圆园圆圆（远）：愿原员猿援22 闫振龙，肖海韵援“元宇宙垣”体育试论田径赛事新光景J.文体用品与科技，圆园圆圆（员苑）：员远源原员66.23 江淑洁.元宇宙技术在图书馆中的应用文献综述J.情报探索，圆园圆猿（圆）：员圆苑原员猿源援24 郭亚军，李帅，马慧芳，等援图书馆即教育：元宇宙视域下的公共图书馆社会教育J.图书馆论坛，圆园圆圆，源圆（缘）：源圆原缘员援表 1控制网坐标值5结束语我国的经济持续发展，城市超高层建筑的高度不断刷新，2020 年我国大国工程北斗卫星导航系统建成和正式开通，大大提高了 GNSS 接收机可见卫星的数量，提升了 GNSS 测量定位的应用场景，通过探索在复杂环境条件下，超高层建筑施工测量平面控制网中GNSS 静态测量技术的应用方案和工程实践，提供了一个超高测建筑施工平面控制网 GNSS 静态测量技术方案，提高了测量精度，降低了劳动强度。参考文献院1 杨伯钢，张译，谢燕峰，等.超高层建筑精密施工测量关键技术J.测绘通报，2022（9）：134-140.2 朱毅斌.浅谈超高层建筑施工控制测量存在的问题及对策J.江西建材，2021（4）：226-227.3 路敬伟，万瑞.超高层建筑结构施工测量控制方法J.中国港湾建设，2019，39（7）：43-47，82.4 何超.GNSS 技术在高层建筑定位基准传递中的应用J.山西建筑，2017，43（21）：196-197.5 熊春宝，何浩博，牛彦波，等.基于 GNSS-RTK 的在建超高层风载动态变形监测J.测绘工程，2017，26（5）：34-39.6 王坤.融合北斗与 GPS 的超高层建筑变形监测数据处理与分析研究D.北京：北京交通大学，2016.7 过静珺，周予启，王坤，等.北斗在超高层建筑施工变形监测中的应用C/中国卫星导航定位协会.卫星导航定位与北斗系统应用 2015北斗耀全球璀璨中国梦.卫星导航定位与北斗系统应用 2015北斗耀全球璀璨中国梦，2015：166-173.点名 北坐标/m 东坐标/m 备注 A1 5*058.560 5*511.755 一级平面控制网控制点（已知）A2 5*049.569 5*569.964 一级平面控制网控制点（已知）B1 5*073.025 5*524.897 二级平面控制网控制点 B2 5*067.294 5*568.382 二级平面控制网控制点 C1 5*129.099 5*541.85 三级平面控制网控制点 C4 5*088.250 5*571.724 三级平面控制网控制点 渊上接 8 页冤13-