楊　坤，李和平

(1. 貴州省測繪資料檔案館，貴州 貴陽 550004； 2. 貴州省第一測繪院，貴州 貴陽 550025)

?

引入似大地水準(zhǔn)面精化模型的山區(qū)水情監(jiān)測方法

楊坤1，李和平2

(1. 貴州省測繪資料檔案館，貴州 貴陽 550004； 2. 貴州省第一測繪院，貴州 貴陽 550025)

基于山區(qū)水情監(jiān)測的內(nèi)在需求與山地開展水準(zhǔn)測量困難的地域?qū)嶋H，討論了引入?yún)^(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測量方法代替等級水準(zhǔn)的監(jiān)測方法的可行性，以貴州省內(nèi)分布均勻的15個(gè)CORS站點(diǎn)、20個(gè)C級點(diǎn)、11個(gè)水文站內(nèi)的三等水準(zhǔn)點(diǎn)作為研究基礎(chǔ)，按照C級網(wǎng)精度要求布網(wǎng)觀測，利用貴州省似大地水準(zhǔn)面精化模型確定了高程異常。研究結(jié)果表明，該方法在貴州山區(qū)均達(dá)到五等水準(zhǔn)測量精度，在模型擬合點(diǎn)較密的區(qū)域達(dá)到四等水準(zhǔn)精度。

山區(qū)水情監(jiān)測；似大地水準(zhǔn)面精化模型；水準(zhǔn)測量；GNSS靜態(tài)高程測量

水情監(jiān)測是防洪減災(zāi)、抗汛預(yù)警所必需的關(guān)鍵工作保障，應(yīng)對重點(diǎn)水利工程(如水庫、中小河流、水文控制站、城市積水區(qū)域)采用儀器原位監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。其中高程是支撐水情監(jiān)測、水文計(jì)算、水文預(yù)報(bào)和洪泛區(qū)預(yù)警的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，快速準(zhǔn)確地提供河流高程是水文監(jiān)測的重要前提。

面對貴州省山區(qū)性河流滑坡泥石流頻發(fā)，地形復(fù)雜、水平通視條件差、水資源分布不集中等地域?qū)嶋H，傳統(tǒng)的水情監(jiān)測方法由于工作周期較長、投入人力物力較大等因素已難以滿足當(dāng)今水文工作準(zhǔn)確、高效的內(nèi)在需求，因此探求一種快速高效的山區(qū)水情監(jiān)測方法具有重要現(xiàn)實(shí)意義。隨著GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)的建立和完善，城市厘米級似大地水準(zhǔn)精化成果已被普遍接受和應(yīng)用，基于區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測量方法在科研和生產(chǎn)中逐步應(yīng)用[1-2]，為解決山區(qū)水情監(jiān)測方法提供了新的契機(jī)。

全國各省市相繼建立了省級似大地水準(zhǔn)精化模型[3]，《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T73—2010)對GNSS靜態(tài)高程測量的技術(shù)要求、數(shù)據(jù)處理與檢驗(yàn)等作出了詳細(xì)規(guī)定；《水利水電工程測量規(guī)范》(SL197—2013)明確了GNSS靜態(tài)高程測量方法對水利水電工程的等級水準(zhǔn)獲取的可用性。為驗(yàn)證GNSS靜態(tài)高程測量替代水準(zhǔn)測量在貴州山區(qū)的適用程度，本文首先對貴州省似大地水準(zhǔn)精化模型進(jìn)行簡要的介紹；其次對基于區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測量精度進(jìn)行分析；最后利用實(shí)測的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證[4-5]。

一、GNSS靜態(tài)高程代替山區(qū)等級水準(zhǔn)測量的可行性

1. 貴州省似大地水準(zhǔn)面精化成果

貴州省似大地水準(zhǔn)面精化項(xiàng)目是國家測繪地理信息局繼浙、閩、贛區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化試點(diǎn)，華北地區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化，華東華中區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化及川滇地區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化等項(xiàng)目后，開展的第5期區(qū)域性似大地水準(zhǔn)面精化工作[6]。貴州省似大地水準(zhǔn)面精化采用3種地球重力場模型(WDM94、IGG05B、EGM2008)，利用分區(qū)擬合糾正的方法[7-8]，獲得了覆蓋貴州省的所有行政州(市)、縣(市、區(qū))區(qū)域總面積約17萬km2，分辨率為2.5′×2.5′的似大地水準(zhǔn)面模型，總體高程精度達(dá)到4.2cm，針對山地地區(qū)提高了擬合點(diǎn)布設(shè)密度，精度達(dá)到3.6cm，優(yōu)于總體精度，為區(qū)域快速高效的GNSS高程測量方法奠定了基礎(chǔ)[9]。

2. 水準(zhǔn)測量理論精度分析

從水準(zhǔn)各精度指標(biāo)內(nèi)在聯(lián)系出發(fā)，山區(qū)水準(zhǔn)測量精度會(huì)有失準(zhǔn)情況出現(xiàn)。以四等水準(zhǔn)測量為例，精度指標(biāo)主要有[10]：

1) 每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差不超過5mm，每千米水準(zhǔn)測量的全中誤差不超過10mm。

3) 偶然中誤差(觀測精度)為

(1)

式中，N為測段數(shù)；R為測段長度；Δ為往返高差不符值。

根據(jù)誤差傳播定律，一測段的“往返不符值中誤差”為

(2)

取N=1、R=1km，可得到每千米“往返不符值中誤差”，將四等水準(zhǔn)偶然中誤差5mm代入該式可得四等水準(zhǔn)每千米“往返不符值中誤差”，也就是全中誤差為10mm，每千米限差取2倍中誤差即為20mm，山區(qū)應(yīng)對該限差放寬至25mm。

山區(qū)地形高差較大，且路徑曲折通視條件不好，山區(qū)的視距通常只能達(dá)到10～20m，甚至更小，必然造成反復(fù)設(shè)站。按15m視距計(jì)算，1km就要設(shè)近60站，往返就有120站，據(jù)此計(jì)算的閉合差限差為6.6cm，也就是說閉合差小于6.6cm就認(rèn)為滿足四等水準(zhǔn)測量精度，但是據(jù)此計(jì)算得到的偶然中誤差為13.2mm，全中誤差為26.4mm，測量精度不能滿足四等水準(zhǔn)測量的精度要求，也達(dá)不到五等水準(zhǔn)測量精度。如果依舊采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量方式，為了滿足水情監(jiān)測的精度要求就只能提高水準(zhǔn)觀測的等級。

3. GNSS靜態(tài)高程理論精度分析

《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T73—2010)對衛(wèi)星定位高程測量的代替等級水準(zhǔn)的模型精度要求、高程中誤差、檢測較差所作規(guī)定見表1。

表1　cm

考慮到模型內(nèi)符合中誤差和模型高程中誤差的區(qū)別，以及模型選擇的差異，模型內(nèi)符合精度按模型高程中誤差的2/3計(jì)算。山區(qū)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在平原的基礎(chǔ)上放寬1.5倍執(zhí)行。

根據(jù)誤差傳播定律，基于似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測量中誤差可表示為

(3)

式中，mh為GNSS靜態(tài)高程測量中誤差，單位為cm；mH為GNSS靜態(tài)大地高測量中誤差，單位為cm；mm為區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化中誤差，單位為cm；mi為接收機(jī)儀器高測量中誤差,單位為cm。

(4)

式中，a為固定誤差；b為比例誤差；L為基線平均長度，單位為km。按接收機(jī)普遍類型，a取5mm，b取2×10-6，按C級網(wǎng)設(shè)計(jì)，L取20km，將以上參數(shù)代入式(4)，可計(jì)算出mH；再將mH代入式(3)可得mh為3.85cm，按照放寬1.5倍后作為山區(qū)精度的要求，可認(rèn)為基于似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測量理論上可取代四、五等水準(zhǔn)。

二、GNSS靜態(tài)高程測量工程實(shí)踐

以貴州省內(nèi)分布均勻的15個(gè)CORS站點(diǎn)、20個(gè)C級點(diǎn)、10個(gè)水文站內(nèi)的三等水準(zhǔn)點(diǎn)作為研究基礎(chǔ)，進(jìn)行GNSS靜態(tài)高程測量代替等級水準(zhǔn)測量的可行性實(shí)踐研究。

采用南方測繪S86測地型接收機(jī)(5mm+1×10-6D),按照C級網(wǎng)精度要求布網(wǎng)觀測，利用貴州省似大地水準(zhǔn)面精化模型計(jì)算出高程異常；坐標(biāo)基準(zhǔn)為CGCS2000，高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn)。

根據(jù)參與模型計(jì)算的觀測點(diǎn)高程殘差vi按以下公式計(jì)算內(nèi)符合精度

(5)

(6)

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果(見表2)，將C級點(diǎn)高程殘差代入式(5)，求得模型總體內(nèi)符合精度為3.99cm,山地地區(qū)內(nèi)符合精度為0.20cm，與提高貴州省似大地水準(zhǔn)面精化模型山區(qū)擬合點(diǎn)密度的設(shè)計(jì)相符；將水文站水準(zhǔn)點(diǎn)檢測互差代入式(6)，求得總體高程中誤差為6.55cm，滿足五等水準(zhǔn)測量精度要求，能快速反映山地區(qū)域河道上下游落差，狹窄河道水情驟變等情況。

成果精度主要受到地形起伏、精化模型擬合點(diǎn)密度等因素的影響，在高海拔但精化模型擬合點(diǎn)密度較高的區(qū)域，其中5個(gè)水文站XWSW、ELSW、MWSW、MXBM、XYSW能夠達(dá)到四等水準(zhǔn)精度水平。

表2　計(jì)算結(jié)果檢測檢查互查表　m

三、結(jié)束語

本文對基于貴州省似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析推導(dǎo)了采用GNSS靜態(tài)高程代替山區(qū)等級水準(zhǔn)測量的技術(shù)指標(biāo)。理論推導(dǎo)和實(shí)踐應(yīng)用表明，基于似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程可代替山區(qū)五等水準(zhǔn)測量，在擬合點(diǎn)點(diǎn)位密度較高的山區(qū)能夠達(dá)到四等水準(zhǔn)精度水平。

引入似大地水準(zhǔn)面精化模型的山區(qū)水情監(jiān)測有效克服了地形復(fù)雜、高差大、水平通視條件差等地域性測量困難，可為山區(qū)水情監(jiān)測、防洪減災(zāi)與洪泛區(qū)預(yù)警高效快速地提供相應(yīng)精度等級的數(shù)據(jù)支持，在水文系統(tǒng)周期性水準(zhǔn)點(diǎn)校核和水文普查工作中，改變過去概略定位的工作方式，逐步將各等級水準(zhǔn)點(diǎn)與區(qū)域CORS網(wǎng)聯(lián)測，在貴州省似大地水準(zhǔn)面精化模型的基礎(chǔ)上增加水準(zhǔn)點(diǎn)在區(qū)域擬合中的作用，這對貴州山地水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)與完善將有著較為深遠(yuǎn)的實(shí)際應(yīng)用意義。

[1]覃鋒.青藏高原中部似大地水準(zhǔn)面精化的應(yīng)用研究[J]. 測繪與空間地理信息，2006，37(1):187-189.

[2]趙建虎，王真祥，王勝平,等.大區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型的建立方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2008，32(1)：68-71.

[3]陳俊勇,魏子卿,胡建國,等.邁入新千年的大地測量學(xué)——第22屆IUGG大會(huì)有關(guān)大地測量部分的技術(shù)總結(jié)[J]. 測繪學(xué)報(bào), 2000，29(2)：95-101.

[4]張正祿，鄧勇，羅長林,等.利用GPS精化區(qū)域似大地水準(zhǔn)面[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2006，26(4):14-17.

[5]陳為民，張旭東，符華年,等.GPS高程測量代替等級水準(zhǔn)測量的應(yīng)用研究 [J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2013，38(7):828-831.

[6]寧津生，羅志才，李建成.我國省市級大地水準(zhǔn)面精化的現(xiàn)狀及技術(shù)模式[J]. 大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2004,24(1):4-7.

[7]張全德，郭春喜，王斌,等.華北地區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化[J] .測繪通報(bào)， 2007(7):13-15.

[8]國家測繪局大地測量數(shù)據(jù)處理中心.貴州區(qū)域大地水準(zhǔn)面精化項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理報(bào)告[R].西安：[s.n.], 2010.

[9]國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范：GB/T12898—91[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

Hydrological Monitoring in Mountain Incorporating RegionalQuasi-geoidRefinedModel

YANG Kun，LI Heping

2016-04-08；

2016-06-22

2012年貴州省重點(diǎn)項(xiàng)目

楊坤(1974—)，男，高級工程師，主要從事GIS信息產(chǎn)業(yè)、遙感、大地測量數(shù)據(jù)處理、水準(zhǔn)測量、數(shù)字城市建設(shè)、檔案管理等工作。E-mail：413135739@qq.com

P258

B

0494-0911(2016)08-0089-03

引文格式：楊坤，李和平.引入似大地水準(zhǔn)面精化模型的山區(qū)水情監(jiān)測方法[J].測繪通報(bào)，2016(8)：89-91.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0264.