引入似大地水準面精化模型的山區(qū)水情監(jiān)測方法

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)

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引入似大地水準面精化模型的山區(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)測的內在需求與山地開展水準測量困難的地域實際，討論了引入區(qū)域似大地水準面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測量方法代替等級水準的監(jiān)測方法的可行性，以貴州省內分布均勻的15個CORS站點、20個C級點、11個水文站內的三等水準點作為研究基礎，按照C級網精度要求布網觀測，利用貴州省似大地水準面精化模型確定了高程異常。研究結果表明，該方法在貴州山區(qū)均達到五等水準測量精度，在模型擬合點較密的區(qū)域達到四等水準精度。

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

水情監(jiān)測是防洪減災、抗汛預警所必需的關鍵工作保障，應對重點水利工程(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)實時傳回數(shù)據(jù)中心進行處理。其中高程是支撐水情監(jiān)測、水文計算、水文預報和洪泛區(qū)預警的重要數(shù)據(jù)基礎，快速準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)，地形復雜、水平通視條件差、水資源分布不集中等地域實際，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今水文工作準確、高效的內在需求，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)實意義。隨著GNSS連續(xù)運行參考站網的建立和完善，城市厘米級似大地水準精化成果已被普遍接受和應用，基于區(qū)域似大地水準面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測量方法在科研和生產中逐步應用[1-2]，為解決山區(qū)水情監(jiān)測方法提供了新的契機。

全國各省市相繼建立了省級似大地水準精化模型[3]，《衛(wèi)星定位城市測量技術規(guī)范》(CJJ/T73—2010)對GNSS靜態(tài)高程測量的技術要求、數(shù)據(jù)處理與檢驗等作出了詳細規(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獲取的可用性。為驗證GNSS靜態(tài)高程測量替代水準測量在貴州山區(qū)的適用程度，本文首先對貴州省似大地水準精化模型進行簡要的介紹；其次對基于區(qū)域似大地水準面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測量精度進行分析；最后利用實測的成果數(shù)據(jù)進行驗證[4-5]。

一、GNSS靜態(tài)高程代替山區(qū)等級水準測量的可行性

1. 貴州省似大地水準面精化成果

貴州省似大地水準面精化項目是國家測繪地理信息局繼浙、閩、贛區(qū)域似大地水準面精化試點，華北地區(qū)似大地水準面精化，華東華中區(qū)域似大地水準面精化及川滇地區(qū)似大地水準面精化等項目后，開展的第5期區(qū)域性似大地水準面精化工作[6]。貴州省似大地水準面精化采用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′的似大地水準面模型，總體高程精度達到4.2cm，針對山地地區(qū)提高了擬合點布設密度，精度達到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[9]。

2. 水準測量理論精度分析

從水準各精度指標內在聯(lián)系出發(fā)，山區(qū)水準測量精度會有失準情況出現(xiàn)。以四等水準測量為例，精度指標主要有[10]：

1) 每千米水準測量的偶然中誤差不超過5mm，每千米水準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”，將四等水準偶然中誤差5mm代入該式可得四等水準每千米“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)的視距通常只能達到10～20m，甚至更小，必然造成反復設站。按15m視距計算，1km就要設近60站，往返就有120站，據(jù)此計算的閉合差限差為6.6cm，也就是說閉合差小于6.6cm就認為滿足四等水準測量精度，但是據(jù)此計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測量的精度要求，也達不到五等水準測量精度。如果依舊采用傳統(tǒng)的水準測量方式，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規(guī)范》(CJJ/T73—2010)對衛(wèi)星定位高程測量的代替等級水準的模型精度要求、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，模型內符合精度按模型高程中誤差的2/3計算。山區(qū)的各項技術指標在平原的基礎上放寬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)域似大地水準面精化中誤差，單位為cm；mi為接收機儀器高測量中誤差,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。按接收機普遍類型，a取5mm，b取2×10-6，按C級網設計，L取20km，將以上參數(shù)代入式(4)，可計算出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，可認為基于似大地水準面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測量理論上可取代四、五等水準。

二、GNSS靜態(tài)高程測量工程實踐

以貴州省內分布均勻的15個CORS站點、20個C級點、10個水文站內的三等水準點作為研究基礎，進行GNSS靜態(tài)高程測量代替等級水準測量的可行性實踐研究。

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

根據(jù)參與模型計算的觀測點高程殘差vi按以下公式計算內符合精度

(5)

(6)

根據(jù)驗證結果(見表2)，將C級點高程殘差代入式(5)，求得模型總體內符合精度為3.99cm,山地地區(qū)內符合精度為0.20cm，與提高貴州省似大地水準面精化模型山區(qū)擬合點密度的設計相符；將水文站水準點檢測互差代入式(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、精化模型擬合點密度等因素的影響，在高海拔但精化模型擬合點密度較高的區(qū)域，其中5個水文站XWSW、ELSW、MWSW、MXBM、XYSW能夠達到四等水準精度水平。

表2　計算結果檢測檢查互查表　m

三、結束語

本文對基于貴州省似大地水準面精化模型的GNSS靜態(tài)高程應用進行了研究，分析推導了采用GNSS靜態(tài)高程代替山區(qū)等級水準測量的技術指標。理論推導和實踐應用表明，基于似大地水準面精化模型的GNSS靜態(tài)高程可代替山區(qū)五等水準測量，在擬合點點位密度較高的山區(qū)能夠達到四等水準精度水平。

引入似大地水準面精化模型的山區(qū)水情監(jiān)測有效克服了地形復雜、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、防洪減災與洪泛區(qū)預警高效快速地提供相應精度等級的數(shù)據(jù)支持，在水文系統(tǒng)周期性水準點校核和水文普查工作中，改變過去概略定位的工作方式，逐步將各等級水準點與區(qū)域CORS網聯(lián)測，在貴州省似大地水準面精化模型的基礎上增加水準點在區(qū)域擬合中的作用，這對貴州山地水文監(jiān)測系統(tǒng)的建設與完善將有著較為深遠的實際應用意義。

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Hydrological Monitoring in Mountain Incorporating RegionalQuasi-geoidRefinedModel

YANG Kun，LI Heping

2016-04-08；

2016-06-22

2012年貴州省重點項目

楊坤(1974—)，男，高級工程師，主要從事GIS信息產業(yè)、遙感、大地測量數(shù)據(jù)處理、水準測量、數(shù)字城市建設、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.引入似大地水準面精化模型的山區(qū)水情監(jiān)測方法[J].測繪通報，2016(8)：89-91.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0264.