夏清炳，田祥勇，謝俊峰，童春華

（湖北省黃岡市水文局，430071，黃岡）

全國(guó)第一次水利普查正在全面開(kāi)展，河流湖泊普查十分必要。按照最 新 的 《水 道 觀 測(cè) 規(guī) 范 》（SL 257—2000）實(shí)測(cè)湖泊面積容積等形態(tài)特征，無(wú)疑是最標(biāo)準(zhǔn)的方法。但是由于《水道觀測(cè)規(guī)范》起草的時(shí)間距今已有10余年，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，規(guī)范規(guī)定的水下測(cè)量方法，由于GPS—RTK作用距離的限制，難以解決大型湖泊平面定位和水面高程的精度問(wèn)題。隨著測(cè)量新技術(shù)新儀器的發(fā)展，特別是全國(guó)部分省份測(cè)繪CORS網(wǎng)的建立開(kāi)通，為湖泊形態(tài)特征測(cè)量提供了新途徑。

一、湖泊形態(tài)特征測(cè)量常規(guī)方法

按照《水道觀測(cè)規(guī)范》，湖泊形態(tài)特征測(cè)量常規(guī)方法，外業(yè)主要有平面控制測(cè)量、高程控制測(cè)量、水下地形測(cè)量和岸上地形測(cè)量，內(nèi)業(yè)主要有地形圖成圖，各級(jí)水位（高程）相應(yīng)的湖容、湖泊面積、湖泊特征值計(jì)算等。

1.平面控制測(cè)量

平面坐標(biāo)系統(tǒng)一般采用1954北京坐標(biāo)系或1980西安坐標(biāo)系。每個(gè)湖泊附近最少需收集兩個(gè)國(guó)家GPS點(diǎn)作為平面控制的引據(jù)點(diǎn)。平面控制采用GPS靜態(tài)模式測(cè)量，按照《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB／T 18314—2009）施測(cè)。

2.高程控制測(cè)量

收集湖泊附近的國(guó)家和工程單位的水準(zhǔn)點(diǎn)，等級(jí)不低于三等水準(zhǔn)。高程控制測(cè)量的目的是提供控制點(diǎn)較高精度的高程數(shù)值，是GPS系統(tǒng)及水位觀測(cè)必需的基礎(chǔ)參數(shù)，要求按四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范施測(cè)，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

設(shè)立水尺，引測(cè)水尺零點(diǎn)高程。對(duì)于大型湖泊或有明顯比降的湖泊，須設(shè)立多組水尺，每天同時(shí)觀測(cè)湖泊水位。

3.水下地形測(cè)量

水下測(cè)圖比例尺根據(jù)湖泊大小分別選擇不同的比例尺，一般為1∶2000～1∶25000。 水下地形測(cè)量采用RTK配數(shù)字化測(cè)深儀施測(cè)。測(cè)量完成后，使用測(cè)深儀數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)所測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合理化檢查、處理（包括原始測(cè)量數(shù)據(jù)編輯、水位觀測(cè)數(shù)據(jù)單站或多站水位改正等），生成.dat格式數(shù)據(jù)文件。

4.岸上地形測(cè)量

湖泊水面以上至堤頂（或歷年最高水位）陸地部分地形圖，比例尺大于1∶5000時(shí)應(yīng)按照規(guī)范實(shí)測(cè)，其他比例尺可根據(jù)1∶10000湖泊周邊地形圖套繪。對(duì)于地形變化較大，高程與密度不足以控制地形轉(zhuǎn)折點(diǎn)的地區(qū)，加測(cè)高程點(diǎn)。

5.圖形合成

將水下測(cè)量數(shù)據(jù)、水邊測(cè)量數(shù)據(jù)和岸上測(cè)量數(shù)據(jù)同時(shí)展繪于圖上，應(yīng)用成圖軟件合成湖泊地形全圖。

6.內(nèi)業(yè)計(jì)算與分析

根據(jù)水下和岸上地形合成圖，應(yīng)用成圖軟件按DTM數(shù)字建模。用三角網(wǎng)法計(jì)算各級(jí)水位相應(yīng)的面積和湖容。填制水位（高程）—湖泊面積—湖容關(guān)系表，繪制水位—湖容、水位—面積曲線，計(jì)算平均水深，挑選湖泊特征值等。

二、常規(guī)方法的局限性

1.外業(yè)工作量大

湖泊周邊控制網(wǎng)需要通過(guò)GPS測(cè)量、水準(zhǔn)高程引測(cè)。對(duì)于岸線地形復(fù)雜的地區(qū)，引測(cè)水準(zhǔn)高程有相當(dāng)?shù)睦щy；對(duì)于湖汊較多、不規(guī)則的湖泊和大型湖泊，需要多次移動(dòng)GPS基站。外業(yè)人員往返無(wú)效時(shí)間多，效率低。

2.水面高程實(shí)時(shí)改正難

規(guī)范方法獲取湖底高程的方式是用水位減去實(shí)測(cè)水深，因此在開(kāi)展水下測(cè)量前，需要在湖泊設(shè)立水尺，觀測(cè)水位。對(duì)于大型湖泊或河道式湖泊，湖泊的水面不是一個(gè)平面，有的水面比降還很大，而且有的湖泊水面線不是線性變化。雖然設(shè)立多組水尺可以起到改正水面高程的作用，但內(nèi)業(yè)處理量大，精度相對(duì)較差。

3.水面測(cè)量距離限制

眾所周知，GPS—RTK是有作用距離限制的，一般不超過(guò)10km。對(duì)于寬度大于20 km的湖泊，RTK的測(cè)量誤差是隨著距離的增加而加大的，超過(guò)一定距離，其精度不能滿足測(cè)量規(guī)范要求。

三、CORS系統(tǒng)技術(shù)簡(jiǎn)介

CORS系統(tǒng)全稱為連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（Continuously Operating Reference Stations System），可以定義為一個(gè)或若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的GPS／GNSS參考站，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)（LAN／WAN）技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的不同類型的GPS觀測(cè)值 （載波相位，偽距），各種改正數(shù)、狀態(tài)信息，以及其他有關(guān)GPS服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng)。CORS技術(shù)能全面取代常規(guī)大地測(cè)量控制網(wǎng)，全天候地支持各種類型GPS測(cè)量、定位、變形監(jiān)測(cè)和放樣作業(yè)。目前湖北省網(wǎng)絡(luò)CORS已實(shí)現(xiàn)全省覆蓋，于2010年12月投入運(yùn)行，所用參數(shù)均由湖北省測(cè)繪局CORS中心提供。HBCORS技術(shù)指標(biāo)如表1。

采用CORS系統(tǒng)測(cè)量所得到是的WGS84等協(xié)議坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)信息。由于我國(guó)使用的是平面和高程測(cè)繪基準(zhǔn)相分離的體系，平面采用國(guó)家坐標(biāo)系（如國(guó)家1980直角坐標(biāo)系）或城市獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，高程則采用的是正常高程系統(tǒng) （1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），所以CORS網(wǎng)絡(luò)使用的好壞主要取決于CORS系統(tǒng)的平面坐標(biāo)與高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換一般采用七參數(shù)或四參數(shù)求解，高程轉(zhuǎn)換通常可采用高程擬合方法（如平面擬合、曲面擬合），但對(duì)較大范圍或較高精度的高程轉(zhuǎn)換則必須通過(guò)近似大地水準(zhǔn)面的精化確定才能求取 （故CORS測(cè)得數(shù)據(jù)一般要發(fā)給CORS中心解算，主要是因?yàn)楦叱剔D(zhuǎn)換要通過(guò)近似大地水準(zhǔn)面的精化來(lái)確定）。

CORS相對(duì)自設(shè)基站的RTK有諸多優(yōu)點(diǎn)：①用戶不需要架設(shè)本地的參考站，從而避免架設(shè)參考站時(shí)帶來(lái)潛在的誤差；②不存在數(shù)據(jù)完整性的監(jiān)控；③無(wú)需人員留守看護(hù)基準(zhǔn)站，提高了生產(chǎn)效率；④解決了通信不便，特別是采用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，解決了遠(yuǎn)距離測(cè)量的通信問(wèn)題；⑤不存在電源供給不足的問(wèn)題；⑥無(wú)需進(jìn)行首級(jí)控制靜態(tài)GPS測(cè)量和水準(zhǔn)高程引測(cè)等。由此可見(jiàn)，CORS對(duì)湖泊測(cè)量特別是大湖測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)十分明顯。

四、CORS系統(tǒng)在湖泊測(cè)量中的應(yīng)用

在湖泊測(cè)量中，通過(guò)接收CORS站所發(fā)射的差分信號(hào)進(jìn)行快速實(shí)時(shí)三維定位。湖北省水文水資源局于2011年4—5月，采用湖北省測(cè)繪局全省網(wǎng)絡(luò)CORS對(duì)洪湖進(jìn)行了湖容、面積測(cè)量。

洪湖是湖北省第一大湖，長(zhǎng)約23.4 km，寬約20.8 km，常年水域面積約306km2。由于時(shí)值洪湖干旱期，水深只有0.6 m左右，又因不需要作控制測(cè)量和水準(zhǔn)引測(cè)，所以本次測(cè)量人員僅8人，投入RTK4臺(tái)，測(cè)深儀未用，直接用RTK采集陸地和水下數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)直接在HBCORS網(wǎng)“在線服務(wù)系統(tǒng)個(gè)人中心”進(jìn)行在線實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，可以得到標(biāo)準(zhǔn)的平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，測(cè)量人員再根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行內(nèi)業(yè)整理。經(jīng)過(guò)近30天的野外工作，按照1∶10000測(cè)圖規(guī)范，全面完成了洪湖430km2的外業(yè)測(cè)量任務(wù)。此次洪湖測(cè)量，比常規(guī)方法提高工效40%以上，同時(shí)節(jié)省大量人力和費(fèi)用。

1.精度評(píng)價(jià)

（1）平面坐標(biāo)系統(tǒng)

采用湖北省測(cè)繪局提供的洪湖地區(qū)七參數(shù)，對(duì)洪湖東、西、南三個(gè)湖北省GPSC級(jí)網(wǎng)點(diǎn)：黃蓬山GPS t706、柳關(guān)GPS t719、螺山鎮(zhèn)GPS t784進(jìn)行校核，精度如表2。

由表2可見(jiàn)，采用湖北省CORS及七參數(shù)解算的平面坐標(biāo)精度很高，應(yīng)用于洪湖的平面定位測(cè)量完全滿足規(guī)范要求。

（2）高程系統(tǒng)

洪湖因面積較大，在沒(méi)有使用高程擬合參數(shù)情況下測(cè)得黃蓬山GPS t706、柳關(guān) GPS t719、螺山鎮(zhèn) GPS t784三點(diǎn)的高程差異值分別為15.949 m、17.679 m、16.671 m，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)回CORS中心解算后，三點(diǎn)高程相差值分別為-0.036 m、0.008 m、0.028 m。 另通過(guò)CORS對(duì)洪湖新堤閘水文站基本水準(zhǔn)點(diǎn)和長(zhǎng)委螺山水文站兩個(gè)校核點(diǎn)進(jìn)行校核，經(jīng)CORS中心進(jìn)行解算后的高程差值為長(zhǎng)委校21：-0.0175 m。長(zhǎng)委校24：0.0297m。新堤水文站校1：-0.069m。這表明RTK實(shí)測(cè)高程經(jīng)過(guò)CORS中心解算后，精度可靠，完全滿足湖泊測(cè)量技術(shù)要求。

表1 HBCORS技術(shù)指標(biāo)

表2 洪湖地區(qū)坐標(biāo)精度

因此，如采用RTK配測(cè)深儀實(shí)測(cè)湖底高程時(shí)，用RTK實(shí)測(cè)水面高程（解算后）減去測(cè)深儀同步水深，即得湖底高程，免去了水位、比降等改正環(huán)節(jié)。

2.關(guān)于高程改正問(wèn)題

目前測(cè)繪部門(mén)給定的CORS網(wǎng)7個(gè)改正參數(shù)都是針對(duì)平面改正的，涉及高程改正的問(wèn)題經(jīng)與湖北省測(cè)繪局CORS中心聯(lián)系，對(duì)高程改正提出以下解決方案：

①小范圍的，可以通過(guò)常數(shù)改正方法。面積在2～3km2范圍內(nèi)，采用已知點(diǎn)高程校測(cè)，求出常數(shù)，用于改正。

②范圍較大的，應(yīng)該把周?chē)写硇缘狞c(diǎn)校測(cè)改正擬合后進(jìn)行改正。將湖泊周邊有代表性的已知點(diǎn)校測(cè)，求得改正關(guān)系進(jìn)行擬合，用擬合的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行實(shí)時(shí)改正。

③將每天測(cè)量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在HBCORS網(wǎng) “在線服務(wù)系統(tǒng)個(gè)人中心”進(jìn)行實(shí)時(shí)在線轉(zhuǎn)換，很快能得出正確高程數(shù)據(jù)。

④把大的范圍分解成小范圍，每個(gè)小的區(qū)域進(jìn)行常數(shù)改正。

熟悉解算方法以后，可以自求高程改正參數(shù)。平面擬合參數(shù)解算要求測(cè)區(qū)必須有3個(gè)以上已知高程控制點(diǎn)，曲面擬合參數(shù)必須有6個(gè)以上已知高程控制點(diǎn)，曲面擬合參數(shù)換算高程系統(tǒng)精度較高，但要求控制點(diǎn)較多。洪湖測(cè)量進(jìn)行了自求參數(shù)與CORS中心解算進(jìn)行比較，精度也均在厘米級(jí)之內(nèi)。

五、湖泊測(cè)量中有關(guān)問(wèn)題的解決方法

1.湖泊測(cè)量的重點(diǎn)

主要是水深測(cè)量和湖泊邊界線的測(cè)定。湖泊近岸帶、湖底突變處要精測(cè)。如采用測(cè)深儀施測(cè)，測(cè)點(diǎn)距離設(shè)置不能按規(guī)范取值，宜設(shè)置較小點(diǎn)距，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理時(shí)據(jù)實(shí)際地形再作刪減；交通條件允許時(shí)，應(yīng)用RTK沿湖采集水邊線和岸線數(shù)據(jù)。交通不便時(shí)，可在船上用激光測(cè)距儀輔助采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.水草區(qū)的測(cè)量

東中部地區(qū)的湖泊多有水草，特別是春夏季，水草密布，幾乎覆蓋湖底，測(cè)深儀所測(cè)水深不是實(shí)際水深，目前只能用測(cè)深桿測(cè)深。水草稀疏區(qū)，在秋冬季節(jié)水草枯萎期用測(cè)深儀施測(cè)時(shí)，必須用測(cè)深桿作校核。

3.高程系統(tǒng)考證

對(duì)于設(shè)立了水位站的湖泊，應(yīng)考證湖泊歷史水位高程系統(tǒng)與本次測(cè)量所采用的高程系統(tǒng)的差值常數(shù)。有多個(gè)水位站的，由于湖泊水面并非平面，還需要建立本次測(cè)量的高程系統(tǒng)與各個(gè)水位站高程系統(tǒng)的關(guān)系，以方便實(shí)際工作中應(yīng)用。

4.測(cè)深質(zhì)量檢查

水深測(cè)量需分區(qū)域抽查測(cè)深精度，檢查整體測(cè)深情況。

5.內(nèi)業(yè)計(jì)算

湖容是湖泊最重要的特征之一，其計(jì)算方法正確與否，直接關(guān)系到成果質(zhì)量高低。湖容計(jì)算成果要求用兩種以上方法計(jì)算，相互校核?；痉椒槿蔷W(wǎng)法，校核方法有等高線法、斷面法、方格網(wǎng)法等。

[1]王洪道，等.中國(guó)的湖泊[M].北京：商務(wù)印書(shū)館，1995.

[2]水道觀測(cè)規(guī)范[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

[3]李朝奎，李愛(ài)國(guó).工程測(cè)量學(xué)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2009.