第5章 施工控制网的建立

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1、5.0 测量控制网概述,测量控制网由位于地面的一系列控制点构成，控制点的空间位置是通过已知点的坐标以及控制点之间的边长(或空间基线)、方向(角度)或(和)高差等观测量确定的。 按其范围和用途，测量控制网分为三大类： 全球控制网 国家控制网 工程控制网,按网点性质分： 一维网(或称水准网、高程网) 二维网(或称平面网) 三维网,5.0 测量控制网概述,按网形分： 三角网 导线网 混合网 方格网 按施测方法分: 测角网 测边网 边角网 GPS网,按坐标系和基准分： 附合网(约束网) 独立网 经典自由网 自由网 按其他标准划分： 首级网 加密网 特殊网 专用网,5.0 测量控制网概述,三、工程控制网

2、 依据工程控制网的用途，可将其分为： 测图控制网 在工程施工前勘测设计阶段建立，主要是为测绘地形图服务。 施工(测量)控制网 为工程建筑物的施工放样提供控制，其点位、密度以及精度取决于建设的性质。 变形监测网 在施工及运营期间，为监测建筑工程对象的变形状况而建立的控制网。 安装(测量)控制网 通常是大型设备构件安装定位的依据，也是工程竣工后建筑物和设备变形观测及设备调整的依据。,5.0 测量控制网概述,四、工程控制网施工控制网 施工控制网的特点： 控制的范围较小，控制点的密度较大，精度要求较高； 使用频繁； 受施工干扰大； 控制网的坐标系与施工坐标系一致； 投影面与工程的平均高程面一致； 有时

3、分两级布网，次级网可能比首级网的精度高。,5.2 国家高精度控制点的利用,一、投影带与投影面的选择 （一）投影变形分析 控制测量中的投影带和投影面的选择，主要是解决长度变形问题，这种变形主要由两种因素引起： 实测边长归算到参考椭球面上的变形影响 将参考椭球面上的边长归算到高斯投影面上的变形影响,5.2 国家高精度控制点的利用,一、投影带与投影面的选择 （一）投影变形分析 1、实测边长归算到参考椭球面上的变形影响,归算边高出参考椭球面的平均值,归算边的长度,归算边方向参考椭球法截弧的曲率半径,归算边长的相对变形为：,负值表明将地面实量长度归算到参考椭球面上，总是缩短的。,5.2 国家高精度控制点

4、的利用,一、投影带与投影面的选择 （一）投影变形分析 2、将参考椭球面上的边长归算到高斯投影面上的变形影响,归算边两端点横坐标平均值,投影归算边长，,参考椭球面平均曲率半径,投影边的相对投影变形为：,正值表明在椭球面上长度投影到高斯面上，总是增大的；随着ym平方正比而增大，离中央子午线愈远，其变形愈大。,5.2 国家高精度控制点的利用,一、投影带与投影面的选择 （二）工程测量投影面和投影带选择的出发点 一般情况下，为了满足测量结果的一测多用，在满足工程精度的前提下，工程中应采用国家统一3带高斯平面直角坐标系。,5.2 国家高精度控制点的利用,一、投影带与投影面的选择 （二）工程测量投影面和投影

5、带选择的出发点 当边长的两次归算投影改正不能满足工程所需要求时，为保证工程测量结果的直接利用的计算方便，可采用任意带的独立高斯投影平面直角坐标系，归算测量结果的参考面可以自己选定。 可采用以下三种方法来实现： 通过改变Hm从而选择合适的高程参考面，将抵偿由高程面的边长归算到参考椭球面上的投影改正，这种方法通常称为抵偿投影面的高斯正形投影。 通过改变ym，从而对中央子午线作适当移动，来抵偿分带投影变形。 通过既改变Hm，又改变ym，来共同抵偿两项归算改正变形。,5.2 国家高精度控制点的利用,二、工程平面坐标系统的选择 在工程控制测量时，根据施工所在的位置、施工范围及施工各阶段对投影误差的要求，

6、可采用以下几种平面直角坐标系： 国家3带高斯正形投影平面直角坐标系 抵偿投影面的3带高斯正形投影平面直角坐标系 任意带高斯正形投影平面直角坐标系 具有高程抵偿面的任意带高斯正形投影平面直角坐标系 假定平面直角坐标,5.2 国家高精度控制点的利用,三、不同平面坐标系统间的坐标转换,“本坐标系”,“他坐标系”,他坐标系的原点 在本坐标系下的坐标,他坐标系的主轴 在本坐标系下的方位角,5.3 施工控制网的设计,三、工程控制网的基准和建立方法 1、工程控制网的基准及其类型 工程控制网的基准就是通过网平差求解未知点坐标时所给出的已知数据，以对网的位置、长度和方向进行约束，使网平差时有唯一解。 根据基准的

7、情况，工程控制网的基准可分为： 约束网：具有多余的已知数据 最小约束网(经典自由网)：只有必要的已知数据 无约束网(自由网)：无必要的已知数据。 秩亏网：少于最小约束条件(没有足够的必要已知数据),5.3 施工控制网的设计,三、工程控制网的基准和建立方法 1、工程控制网的基准及其类型 工程控制网的基准与网的用途分类有关。 一般情况下： 测图控制网为约束网； 施工控制网为最小约束网； 变形监测网为无约束网或最小约束网； 安装控制网为最小约束网或约束网。,5.3 施工控制网的设计,三、工程控制网的基准和建立方法 2、一、二、三维网的基准情况 对于一维网(水准网或高程网)： 网中只有一个点的高程已知

8、，为最小约束网； 网中有两个以上点(含两个)的高程已知，则为约束网； 网中没有一个点的高程是已知的，称自由网(无约束网)。,5.3 施工控制网的设计,三、工程控制网的基准和建立方法 2、一、二、三维网的基准情况 对于二维网(平面网)，若为测角网，则： 网中只有两个点的坐标已知，为最小约束网； 网中有两个以上点(含两个)的坐标已知，则为约束网； 网中没有一个点的坐标是已知的，则为自由网(无约束网)。,5.3 施工控制网的设计,三、工程控制网的基准和建立方法 2、一、二、三维网的基准情况 对于二维网(平面网)，若为测边网或边角网。 网中只有一个点的坐标和一条边的方位角已知，则为最小约束网； 若多于

9、最小约束条件(如两个以上点(含两个)的坐标已知)，则为约束网； 若少于最小约束条件为秩亏网； 如果网中没有一个点的坐标是已知的，称自由网(无约束网)。,5.3 施工控制网的设计,三、工程控制网的基准和建立方法 2、一、二、三维网的基准情况 对于三维网，最小约束条件为：网中有两个点的三维坐标已知，另一条边的方位角已知(为了控制整个网绕两个已知点的连线旋转)； 也可以是：网中有一个点的三维坐标已知，已知一条边长(对于边角网，该条件不需要)，已知一条边的方位角，已知两条边的高度角。 凡多于最小约束条件，如有三个以上点(含三个)的坐标已知，则称为约束网； 少于最小约束条件则为秩亏网； 无已知坐标、方位

10、角和高度角则为自由网(无约束网)。,5.3 施工控制网的设计,三、工程控制网的基准和建立方法 3、基准秩亏和基准参数 若将全部网点的坐标作为未知数，则表现为观测值和坐标值之间的联系不固定，这将产生平差线性模型的图形矩阵A的列亏，法方程矩阵N将出现秩亏。由于是没有固定基准所引起，故又称为基准秩亏。 基准秩亏数与网的维数和观测值类型有关。 基准参数表示一个网在保持内部几何形状不变的条件下所作的变换，这些变换是消除基准秩亏的方法。,5.3 施工控制网的设计,三、工程控制网的基准和建立方法 3、基准秩亏和基准参数,5.3 施工控制网的设计,四、控制网优化设计的质量标准 工程控制网优化设计的目的，就是在

11、一定的观测条件下要控制网有较高的质量。为衡量网的质量，现代测量中提出了若干条标准： 精度：描述误差分布离散程度的一种度量； 可靠性：发现和抵抗模型误差的能力大小的一种度量； 灵敏度：监测网发现某一变形的能力大小的一种度量； 经济性：建网费用。,5.3 施工控制网的设计,四.1、精度标准准则矩阵 所谓准则矩阵是指人工事先构造的、用上述各种标准来衡量都有“较好”效果的、理想化的协因数矩阵Qx。 准则矩阵不是控制网质量度量的数字标准，而是衡量控制网设计方案好坏的一个准则。,5.3 施工控制网的设计,四.2、可靠性标准概念 可靠性的概念是荷兰Barrda教授(1968)针对观测值数据中的粗差提出来的。

12、 测量控制网的可靠性是指控制网探测观测值粗差和抵抗残存粗差对平差成果影响的能力，它分为内部可靠性和外部可靠性。 内部可靠性是指控制网通过平差和统计检验发现粗差的能力 外部可靠性是指抵抗残存粗差对平差结果影响的能力,5.3 施工控制网的设计,四.2、可靠性标准多余观测分量 由于内、外部可靠性均与ri有关，当显著水平和检验功效0一定时，它们完全随ri的变化而变化。因此，ri可以作为评价内、外部可靠性的公共指标，即： 式中，ri为矩阵（QVVP）主对角线上的元素，称为控制网的多余观测分量。多余观测分量与多余观测数有下列关系：,5.3 施工控制网的设计,四.2、可靠性标准多余观测分量 性质1： ri越

13、小，该观测值在网中的地位越高；该观测值的粗差也越难被发现。 ri=0时，该观测值不可缺少，否则产生形亏；即使有大的粗差或错误也无法发现； ri越大，该观测值在网中的地位越低；且该观测值存在较小的粗差也能发现。 ri=1时，该观测值完全成为多余，即使删除了，其网平差结果也不变；且观测值的粗差能完全确定。,5.3 施工控制网的设计,四.2、可靠性标准多余观测分量 性质2：观测值的内部可靠性与观测值的精度成反比。观测值的精度越高，则相应的ri越小；观测值的精度越低，其ri越大。 性质3：对于确定观测精度情况下，多余观测数r越大，则观测值的ri也越大，而且建网费用将随r的增大而增加。,5.3 施工控制

14、网的设计,五、控制网优化设计的分类 控制网优化设计一般分为四类（四方面内容）： 零类设计（基准设计） 一类设计（图形设计） 二类设计（观测精度设计） 三类设计（已有网的改进）,5.3 施工控制网的设计,五、控制网优化设计的分类 零类设计为基准(起始数据)的设计，是在控制网图形和观测值的先验精度已定的情况下，选择起始数据使网的精度达到最高。 一类设计：为控制网网形的设计，在控制网成果的精度要求及观测手段可能达到的精度已定的情况下，优化设计控制网图形，即确定点位的最佳布设和采用最佳的观测方案。 二类设计：为观测值权的设计，在控制网的图形和网的精度要求已定的情况下，设计观测值的精度。 三类设计：为控

15、制网改进的设计，用增删部分观测值和改变部分观测值的权，以及增删及移动点位来改善控制网成果的精度。,5.3 施工控制网的设计,五、控制网优化设计的分类 这四类的设计内容，还可以用参数法平差的函数模型与随机模型来解释，设：,X未知参数，平面网点的坐标或高程网点的高程； QXX未知参数的协因数阵。,A控制网的网形； P观测值的先验精度；,5.4 典型工程施工控制网的布设,二、隧道施工控制网的布设 （二）隧道洞内控制网 隧道洞内狭长形状的空间使洞内控制网的设计没有选择的余地，而只能采用支导线的形式。 为了进行检核，一般布设两个等级的导线： 施工导线 在掘进的同时首先布设施工导线，为掘进指明方向，为其他施工提供依据； 主导线 当隧道掘进至大约12km时，布设边长较长的、具有较高精度的主导线，用于检核及修正施工导线。,5.4 典型工程施工控制网的布设,四、工业厂区施工控制网的布设 因此，在布设建筑工地施工控制网时，采用分级布网的方案是比较合适的。也即首先建立布满整个工地的厂区控制网，目的是放样各个建筑物的主要轴线。然后，为了进行厂房或主要生产设备的细部放样，在由厂区控制网所定出的各主轴线的基础上，建立厂房矩形控制网或设备安装控制网。,