工程控制网布设的理论与方法综述

第三章工程控制网布设

的理论与方法3.1工程控制网的分类和作用3.1.1测量控制网的分类测量控制网由位于地面的一系列控制点构成的，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、国家控制网和工程控制网。全球控制网是由国际组织在全球范围建立的大地测量参考框架。主要用于确定、研究地球的形状、大小及其运动变化，确定和研究地球的板块运动等。国家控制网由各国测绘部门建立的区域性大地测量参考框架。国家控制网的主要作用是：提供全国范围内的统一地理坐标系统；保证国家基本图的测绘和更新；满足大比例尺图测图的精度要求；为精密地确定地面点的位置提供已知点，及其在特定坐标系下的坐标，如以地球参考椭球面为基准面的大地坐标或高斯平面坐标，以大地水准面为基准面的高程。为了控制测量误差积累，国家控制网采用逐级方式布设。其特点是控制面积大，控制点间距离较长，点位的选择主要考虑点的密度、稳定性和布网是否有利等。工程控制网是工程项目的空间位置参考框架，是针对某项具体工程建设测图、施工或管理的需要，在一定区域内布设的平面和高程控制网。一般由工程建设单位或委托其它测绘单位建立。

3.1.2工程控制网的分类、作用和建网步骤分类：按用途分：测图控制网、施工（测量）控制网、变形监测网、安装（测量）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；按网形分：三角网、导线网、混合网、方格网；按施测方法划分：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（如隧道控制网、建筑方格网、桥梁控制网等）。作用：为工程建设提供工程范围内统一的参考框架；为各项测量工作提供位置基准，满足工程建设不同阶段对测绘在质量（精度、可靠性）、进度（速度）和费用等方面的要求；工程控制网也具有控制全局、提供基准和控制测量误差积累的作用；工程控制网与国家控制网既有密切联系，又有许多不同的特点。建网步骤：确定控制网的等级；确定布网形式；确定测量仪器和操作规程（国家或行业规范）；在图上选点构网，到实地踏勘；埋设标石、标志；外业观测；内业数据处理；提交成果。3.1.3测图控制网在规范中将测图平面控制网的等级依次划分为：二、三、四等三角网，一、二级小三角网或一、二、三级导线（或一、二级导线）网。现在，测角三角网已较少使用，首级控制一般采用GPS网，其平均边长和精度参照三角网的技术要求。测图平面控制网的作用在于控制测量误差的累积，保证图上内容的精度均匀和相邻图幅正确拼接。测图控制网的精度是按测图比例尺的大小确定的，通常应使平面控制网能满足1：500比例尺测图精度要求。四等以下（包括四等）各级平面控制的最弱边的边长中误差不大于图上0.1mm，即实地的中误差不大于5cm。在布网前，应收集测区内已有的平面、高程控制和地形图等测绘资料。网点的密度视测图比例尺而定，点的位置取决于地形条件，控制范围应较大，应尽量均匀，便于施测和进行图根加密。测图控制网还应与国家控制点相连。对于小型或局部工程，也可将首级测图控制网布成独立网。测图网加密时应该尽可能减少布网的层次，有条件时应该一次性地加密。用GPS技术布设测图控制网，便于与国家控制点联测，不需要网点之间相互通视，而且对边长和网的图形无特别限制，可以使控制网的精度更均匀，可使测区边缘地区的精度大为改善。经济的做法也可用GPS技术作首级控制，以常规的地面方法进行加密。大比例尺测图所需的高程控制网，通常采用水准测量的方法建立。水准测量的等级分为二、三、四等，各等级的精度指标基本上与国家规范要求一致。用电磁波测距三角高程可代替三、四等水准测量。3.1.4施工控制网施工平面控制网的布设，应根据总平面设计和施工地区的地形条件来确定。对于起伏较大的山岭地区（如水利枢纽）及跨越江河的工程（如大桥），过去一般采用三角测量（或边角测量）的方法建网。对于地形平坦但通视比较困难的地区，例如扩建或改建的工业场地，多采用导线网；而对于建筑物多为矩形且布置比较规则和密集的工业场地，亦可将施工控制网布置成规则的矩形格网，即所谓建筑方格网。现在，大多数已为GPS网所代替。对于高精度的施工控制网，则将GPS网与地面边角网或导线网相结合，使二者的优势互补。施工阶段的主要测量工作

1.布设施工控制网2.施工放样

3.变形监测4.其他测绘工作

测量工作的区别

1．

服务对象不同勘测阶段：提供地形图。施工阶段：施工放线，变形监测。2．

精度要求不同勘测阶段：精度较低，点位均匀。施工阶段：精度高且有特殊要求。3．

范围不同勘测阶段：范围大。施工阶段：范围小。4．

控制点使用频率不同勘测阶段：利用率较低。施工阶段：使用频繁。5．

受外界影响程度不同勘测阶段：影响较小。施工阶段：受施工影响大。施工控制网的特点控制的范围小、精度要求高控制点使用频繁受施工干扰大、点位分布有特殊要求控制网的坐标系与施工坐标系一致控制网投影到特定的高程面一般分两级布设，次级网可能比首级网的精度高建筑物放样的精度要求

1.绝对精度要求（主轴线精度要求）

主要受地形、工程地质等条件的影响，其精度要求一般不高。2．相对精度要求（细部点对主轴线的精度要求）

相对精度直接影响建筑物的整体结构、联系、美观等，其要求一般较高。建筑物的放样精度主要取决于相对精度要求。

建筑物放样程序

总体要求（原则）：由整体到局部，先轴线后细部。主轴线——辅助轴线——细部点——设备安装。

放样精度计算

1.建筑限差Δ(即允许偏差):过宽、过紧都不合理，应慎重制定。允许偏离轴线：允许偏离轴线的中误差：2.误差来源测量误差

m1设计误差

m2安装误差m3

当时，

当时，

平面施工控制网

设计要求精度评定（略）外业工作内业工作建筑方格网

转角为90度的导线网；用于施工放样、测绘竣工图、改、扩建厂房等的控制依据；它主要有纵、横轴线贯穿整个施工场地；可分级布设，精度根据需要确定；方法有导线法、归化法、直接法等。

直伸三角网

基本原理是直接测出三条边长和三角形的高，再计算出三角形的内角。可减小旁折光等的影响、提高控制网的精度。高程控制网

要求点位稳定、使用方便、精度可靠、密度适当。一般布设成网形或闭合环，并经常进行复核；临时水准点要注意其稳定性。

BM10BM21长江长江BM20BM26J3BM24BM04BM08BM06BM28BM23BM25BM22BM09BM07BM11轴1BM03BM05J1J2BM02过江水准III过江水准IV过江水准II过江水准IBM33BM34BM35BM36BM32A1BM31A2A4A3金山基准点3.1.5变形监测网变形监测网由参考点和目标点组成，一个网可以由任意个网点组成，但至少应由一个参考点、一个目标点（确定绝对变形）或两个目标点（确定相对变形）组成。参考点应位于变形体外，是网的基准。目标点位于变形体上，变形体的变形由目标点的运动描述。变形监测网分一维网、二维网和三维网。它可以布设成各式各样的形状，主要取决于变形监测的目的和变形体的形状，此外还与地形和环境条件有关。采用地面测量技术可布设成由三角形构成的边角网或三边网、导线或导线网。用空间测量技术建立GPS监测网，以及GPS网与地面测量网构成混合网日益广泛应用。对一条堤坝作监测，可布置成一条平行于堤坝的导线作为参考网，通过观测左、右角和重复测量提高其可靠性；目标点设在堤上，其位置由多参考点进行前方交会得到。对于一个高塔的变形监测甚至可以只通过一个参考点进行。变形监测网的坐标系和基准的选取应遵循以下原则：变形体的范围较大且形状不规则时，可选择已有的大地坐标系统。其好处是已知系统的归化和投影改正公式，另一方面监测网也可得到检查。由于变形监测网的精度有时还高于国家大地控制网的精度，与大地网点联接时，为了不产生尺度上的紧张，应采用无强制的联接方法，即只固定一个点，二、三维再固定一个定向方向。

对于那些具有明显结构性特征的变形体，最好采用基于监测体的坐标系统，该坐标系统的坐标轴与监测体的主轴线重合、平行或垂直，这时目标点的变形刚好在某一坐标方向上。因为变形是通过目标点的坐标变化来反映的，采用什么样的坐标系和固定基准都不重要，关键是一旦选定了固定基准，该基准在整个变形监测时期应保持不变，换句话说，那些稳定的参考点的坐标在整个期间的坐标值应保持不变。当仅对目标点的相对运动感兴趣时，可不设参考点，这时可采用自由基准，变形体的变形不是通过目标点的坐标变化，而是用可估计的基准不变量导出。根据网的布设、坐标系和基准的确定，以及目标点的精度要求，则网的精度得以确定。

3.1.6安装测量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，它们一般在土建工程施工后期布设。控制网设计时，应考虑控制点的密度和位置能满足设备构件的安装定位要求，点位的选择不受地形、地物、图形强度等的影响，而要考虑设备的位置、数量、建筑物的形状、特定方向的精度要求等。先在设备布置总平面图上设计一个理论上的图形，然后将其测设到实地上去。

安装测量控制网通常是一种微型边角网，边长较短，一般从几米至一百多米。整个网由形状相同、大小相等的基本图形组成。对于直线型的建筑物，可布设成直伸形网。对于环形的地下建筑物，可布设成各种类型的环型网。如直接在环型隧道内建立微型四边形构成的环型网或测高环形三角形网，网的设计应顾及隧道的平均半径和隧道宽度，控制点及测量方向线到隧道壁的距离，以及三角形的边长和长边上的高。对于大型无线电天线，可布设成辐射状控制网。3.2工程控制网的基准和建立方法3.2.1工程控制网的基准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。如果网的基准不足，网平差时法方程系数矩阵将出现秩亏，这时，需要某一特解。如果网的基准过多，则存在基准之间是否相容的问题。

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。维数网型观测值类型基准秩亏基准参数1高程网高差11个平移2平面网边长和方位角2X和Y方向的2个平移边长或边长和水平方向32个平移，1个绕Z轴的旋转水平方向42个平移，1个旋转，1个缩放3三维网边长和天顶角或边长和水平方向或边长、天顶角以及水平方向43个在X、Y、Z方向的平移，1个绕Z轴的旋转水平方向和天顶角53个平移，1个旋转，1个缩放边长63个平移，3个绕X、Y、Z轴的旋转在d=6时再加一个比例尺未知数73个平移，3个旋转，1个缩放3.2.2工程控制网基准的建立方法为了确定工程平面控制网的绝对位置，需要与国家控制网中的点进行联测。由于工程控制网对相对位置要求高，因而常采用经联测得到的一个点的坐标和一个方位角作为固定的起算数据，其长度基准则由投影到工程投影面上的高精度测距边来确定。测图控制网多为约束网，总是选国家或城市坐标系（含平面和高程）下的已知点坐标为其基准。为了减小归化与投影所产生的长度变形，使其达到忽略不计的程度，可采用抵偿高程坐标系统或自定义投影带。抵偿高程坐标系统的归算高程面是与某高程面相切且与参考椭球面相平行的一个椭球面，它利用了边长观测值的归化改正和投影改正的符号相反，大小近似相等的特点。采用抵偿高程坐标系统可不改变投影带，坐标转换关系简单。自定义投影带是采用与测区平均高程面相切与参考椭球面相平行的椭球面，采用通过测区中部的子午线作中央子午线，用这种方法定义的坐标系称工程坐标系。由于在工程测量中采用得最多的是不与大地测量控制网相联系的专用网，所以自由网平差以及基准确定问题更为重要。3.3工程控制网的质量准则3.3.1工程控制网的质量准则精度准则（总体精度、点位精度、相对精度、未知数函数的精度等）可靠性准则（内部可靠性、外部可靠性）灵敏度准则费用准则3.4工程控制网的优化设计3.4.1工程控制网的优化设计分类分类固定参数待定参数含义零类设计(ZOD)一类设计(FOD)二类设计(SOD)三类设计(THOD)A，PP，QXXA，QXXQXX,部分A和PQXX

AP部分A和P基准设计图形设计观测精度设计已有网的改进3.4.2优化设计的任务

网的优化设计是一个迭代求解过程,它包括以下内容：提出设计任务；制定设计方案；进行方案评价；进行方案优化。3.4.3工程控制网优化设计方法

（1）

典型图形分析（2）

目标函数法（3）

计算机模拟法

图上设计

量取测值近似值确定观测方案模拟平差，求出未知数的协因数阵求出各点点位精度与设计精度比较改进设计3.5典型工程控制网桥梁工程控制网水利枢纽控制网变形监测控制网3.6控制点的标石与标志由于控制点要长期、经常性地使用，一般要埋设标石和标志。标石是指采用挖坑埋设预制截头锥体混凝土标，或通过钻深孔就地浇筑钢筋混凝土标，或通过钻孔深埋与基岩相连的钢管标等方法固定和设置控制点的设施。标志则是在标石或其他稳固载体上精确表示控制点位置的设施。标石上一定有标志，但标志不一定设在标石上，标志也包括照准标志。标石和标志应保证稳定、安全和长期保存，应尽可能避开外界的影响，应避开活动断裂带和人工土层，尽可能埋设在稳定的基岩上，无法与基岩相连时，深度应在地下水位变化层和冻土层以下。

平面点标石标石类型：普通标石、深埋式标石、带强制对中装置的观测墩。普通标石:通常挖坑埋设预制截头锥体混凝土标，为防止自重引起的沉降，需加大标石底部面积。深埋式标石：通过钻深孔就地浇筑的