基于地下水監測站高程引測方法探析

李 野

(遼寧沈陽利鑫土木工程有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 概述

營口市現有地下水監測站51處，大多數分布在山丘區，小部分分布在平原區。其中人工觀測站13處，自動監測站38處。

根據《國家地下水監測工程(水利部分)遼寧省初步設計報告》中建井原則，選取營口市現有地下水自動監測站15處作為改建井，新建23處。其中，新建井中大石橋市新建9處、蓋州市新建10處、鲅魚圈區新建4處；改建井中大石橋市改建6處、蓋州市改建8處、鲅魚圈區改建1處。

2 引測方法

2.1 測量方式選擇

根據SL197- 2013《水利水電工程測量規范》[1]中5.5條規定，GNSS高程擬合高程測量方式可完成五等、圖根及測站級高程測量；基于大地水準面精化模型的GNSS高程測量方式可完成四等、五等、圖根及測站級高程測量。GNSS高程測量適用范圍見表1。

表1 GNSS高程測量方法的適用范圍

采用此種測量方式能夠滿足山區五等高程測量、平原四等高程測量的精度要求。因此，遼寧省采用基于大地水準面精化模型的GNSS高程測量方式進行高程引測及坐標測量工作。

2.2 坐標系選擇

(1)大地坐標系：2000國家大地坐標系，采用地理坐標，經緯度值采用“度”為單位，至少保留7位小數，采用3度分度帶，中央子午線為123°；

(2)高程基準采用1985國家高程基準，高程值m。

2.3 技術路線

(1)利用遼寧省CORS站網進行實時動態網絡RTK觀測采集監測站水準點、井口中心點坐標數據，每次測量前及測量后，均進行至少一個同等級或高等級已知點的檢核。使用水準測量方式測量井口固定點、地面高程，做好觀測現場記錄。

(2)數據采集結束后對測量原始數據進行合理性分析，發現原始不合理數據分析原因，重新進行數據采集。

(3)測量數據合理后進行數據整理，交由遼寧省測繪地理信息局采用基于大地水準面精化模型進行高程基準轉換。

(4)高程基準轉換數據后，抽取部分地下水監測站高程測量成果，以水準測量方式復核。

(5)對測量成果進行精度分析，分析成果精度是否滿足要求。

3 測繪方案及指標符合性分析

本次充分利用GNSS測量技術，采用遼寧省測繪院LNCORS網，以連續運行參考站作為基準站，使用網絡RTK測量方式對監測站水準點進行施測，獲得CGCS2000坐標及高程，由遼寧省測繪地理信息局通過遼寧區域似大地水準面精化模型進行高程基準轉換。測量結束后由監測站水準點引測地面高程、井口固定點高程。

當周圍條件不具備GNSS高程測量條件時，使用水準測量方式引測水準點高程。

采用水準測量方式引測地下水監測站水準點高程，達到GB/T12898- 2009《國家三、四等水準測量規范》[2]中四等水準測量精度要求。

3.1 控制測量

3.1.1 LNCORS

LNCORS是利用全球導航衛星系統技術[3]，在遼寧建立永久性的衛星導航定位連續運行基準站，系統數據處理和控制中心，利用數據通信與系統控制和數據處理中心組成網絡，共享基準站數據，利用站網管理軟件對基準站數據資源進行處理形成產品和服務能力，然后向各種用戶發布不同類型的原始數據及RTK差分改正數據等。其主要功能是向系統覆蓋區域內的用戶提供各種不同精度的實時定位服務。

3.1.2 遼寧區域似大地水準面精化模型

遼寧區域似大地水準面精化模型是充分利用遼寧省及周邊省份已有國家一、二等天文大地點1907個，三、四等三角點2423個，以國家GNSS連續運行參考站，中國大陸構造環境監測網絡、沈陽市CORS站、大連市CORS站，遼寧省省內多條國家一等和二等水準路線和作為聯測水準路線起算點的多個基巖點，以及地質物探部門在全省大部分區域已進行的1∶20萬重力普查資料，已經建成的分辨率為25m的1∶5萬DEM數據庫等數據為參考建立完成的。高程測量精度指標：城市±5.0cm；平原、丘陵±8.0cm；山區±15.0cm。

3.2 目標點測量

3.2.1 GPS測量

使用天寶R8s雙頻接收機進行測量，新建工程時，選擇坐標系統為CGS2000坐標系統，采用3度分度帶，中央子午線設置123°。

測量前均對儀器進行初始化，并得到固定解，當長時間不能獲得固定解時，斷開通信鏈接，再次進行初始化操作直至得到固定解。作業過程中，如出現衛星信號失鎖，重新初始化并經重合點測量檢驗合格后進行測量。

測量時流動站采用三腳架架設在待測水準點上對中、整平，每次觀測歷元數應不少于20個，采樣間隔2～5s，每個待測點至少采集3次數據。各次測量的平面坐標較差不大于4cm，取其平均數作為采用值。

丈量天線高度，均從天線的三面丈量3次，在三次較差不大于3mm時，取平均值為最后結果。結束觀測時，再丈量一次天線高，以作校核。

在觀測過程中，經常檢查有效衛星的歷元數是否符合要求，衛星數量是否滿足要求，以保證觀測精度。

高程及坐標測量同時進行，做好觀測現場記錄并提交電子資料(包括：點號、點名、起始時間、設備商及型號、天線高、量取方式及類型)。每次測量結束后立刻將手薄中數據按要求格式統一輸入至計算機中備份，防止數據丟失。

每次測量前及測量后，均應進行至少一個同等級或高等級已知點的檢核，高程較差不大于10.0cm。本次測量38處監測站全部采用GNSS方式測量，其中36處監測站直接采用GPS測量水準點，2處采用水準儀將固定點引測至水準點。

3.2.2 水準測量

使用水準測量方式測量監測站的地面高程及井口固定點高程。

使用水準測量方式進行高程引測時，按照GB/T12898- 2009《國家三、四等水準測量規范》[2]中四等水準測量要求，引測高程至監測站水準點，然后由水準點引測井口固定點高程、地面高程。

4 成果合理性分析

4.1 誤差來源控制

GNSS衛星自身存在的誤差主要包括：衛星軌道誤差、衛星鐘的誤差、相對論效應[3]等。

在GNSS測量中，我們使用幾何精度因子(DOP，dilution of precision)來衡量觀測衛星的空間幾何分布對定位精度的影響。DOP分為PDOP、TDOP、VDOP、HDOP四種，其中DOP值的大小與GPS定位的誤差成正比，DOP值越大，定位誤差越大，定位的精度就越低。本次測量時均記錄了PDOP值，范圍為1.4～2.6，說明衛星幾何分布較好。

表2 誤差分析結果

表3 GNSS測量精度評定表

4.2 測量數據合理性分析

對野外采集的數據進行中誤差計算，計算公式如下：

(1)

式中，Δ—各測量值與測量平均值的差值；Δh—中誤差；n—測量值個數。

本次各水準點測量數據的中誤差均小于SL197- 2013《水利水電工程測量規范》中允許中誤差±3cm的規定，所有測量結果均滿足規范要求。

4.3 高程基準轉換

測量結束后，將網絡RTK(LNCORS)法測定的新建控制點國家2000大地坐標系(CGCS2000)坐標(包括大地經緯度和大地高程)交由遼寧省測繪地理信息局通過遼寧區域似大地水準面精化模型進行高程基準轉換。轉換后高程基準為1985高程基準。

4.4 精度評定

根據SL197- 2013中5.5.6條要求，利用基于大地水準面精化模型的GNSS高程測量[6]，應求出控制點之間的相對高差，并從高一級控制點上起算，按附和水準路線進行計算，其路線閉合差應滿足相應等級要求[7]。

為滿足規范要求，每次測量前及測量后，均進行至少一個遼寧省水準點檢核。

高程引測精度為山區五等水準測量精度、平原四等水準測量精度。

由遼寧省測繪成果目錄服務系統網站查找距離本次測量選用的遼寧省二等水準點最近的一等水準點，根據水準點位置計算相應等級的允許誤差[8]，分析其是否滿足測量精度要求。

四等水準閉合差計算公式如下：

(2)

式中，h允—允許閉合差；K—測段長度。

山區水準路線五等水準閉合差計算公式如下：

(3)

式中，h允—允許閉合差；L—山區水準路線長度。

誤差分析結果見表2。

由上述計算結果分析，測量結果均滿足平原達到四等水準測量、山區達到五等水準測量要求。

5 結語

針對本次GNSS測量成果，抽取部分監測站水準點使用水準測量方式復核測量成果[9]，以山區五等水準測量、平原四等水準測量方式由遼寧省二等水準點引測至地下水監測站水準點，測量成果及與GNSS測量成果對比見表3。

由復核成果可知，本次抽取的地下水監測站水準點的GNSS高程成果滿足項目精度要求[10](平原達到四等水準測量、山區達到五等水準測量要求)。

[1] SL 197- 2013. 水利水電工程測量規范 [S].

[2] GB/T 12898- 2009. 國家三、四等水準測量規范 [S].

[3] 焦迎樂. GPS靜態測量技術在高程測量中的應用[J]. 水利信息化, 2011(04): 41- 44.

[4] 張前勇, 汪雷. GPS高程測量精度分析[J]. 湖北民族學院學報(自然科學版), 2008(04): 422- 425.

[5] 田新亞, 姜川. GPS水準在高程測量中的應用[J]. 地下水, 2008(05): 123- 125.

[6] 魏勝利, 蘇偉杰. 分布式地下水模擬模型MODFLOW介紹與應用[J].水利規劃與設計, 2011(03): 30- 32.

[7] 嚴鋒, 郭玉法, 劉波, 等.GIS技術在地下水資源研究中的應用現狀及前景[J]. 水利技術監督, 2005(05): 63- 65.

[8] 張凌霄. GIS技術在遼寧太子河左岸洪水風險圖編制中的應用[J]. 水利技術監督, 2016(02): 36- 37， 40.

[9] 朱慶利, 朱琳, 田質勝. 基于GIS的數字產匯流技術[J]. 水利規劃與設計, 2007(02): 69- 72.

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