上海市低潮高地及暗礁基礎(chǔ)測量控制網(wǎng)建立與地形圖測繪

劉 宇

（上海川河水利規(guī)劃設(shè)計有限公司，上海 201200）

0.引言

GNSS測量技術(shù)和幾何水準(zhǔn)測量技術(shù)作為當(dāng)今建立地面測量控制網(wǎng)的兩種主要手段，被廣泛地應(yīng)用于各種工程測量控制網(wǎng)的建立中。GNSS建立地面平面控制網(wǎng)較傳統(tǒng)的邊角測繪法具有明顯的優(yōu)勢，GNSS平面控制網(wǎng)布設(shè)的基本原則：充分考慮各測區(qū)的地理分布特征，按規(guī)范要求確定控制網(wǎng)等級、圖上設(shè)計網(wǎng)圖、實地踏勘選點埋石，確保區(qū)域控制網(wǎng)觀測安全可行，控制網(wǎng)精度可靠，滿足規(guī)范和地形測圖要求。

國家2010年3月1日起施行的《中華人民共和國海島保護法》第六章附則中規(guī)定：“低潮高地是指在低潮時四面環(huán)海并高于水面，但在高潮時沒入水中的自然形成的陸地。”而暗礁是由基巖組成，指低潮時不出露水面的礁。上海市低潮高地均處在亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，受東亞季風(fēng)影響，四季分明、溫和濕潤，地貌類型主要為沖積沙島。沖積沙島多分布于長江河口，成因類型多，歷史演變過程受長江徑流和潮流的共同作用，有時演變強烈，生成和消亡，有時緩慢或相對穩(wěn)定平衡。2012年上海市政府批準(zhǔn)了上海市市轄海域內(nèi)黃瓜五沙、顧園沙、下扁擔(dān)沙等17個低潮高地及牛皮礁1個暗礁。

本文主要總結(jié)了GNSS靜態(tài)測量結(jié)合幾何水準(zhǔn)測量法建立測圖控制網(wǎng)的方法及測量過程中的注意事項，并利用已經(jīng)建立的控制網(wǎng)為基準(zhǔn)開展地形圖測繪工作。實踐證明：文中方法在提高效率的同時，能夠滿足大比例尺地形圖測繪的要求。

1.GNSS大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型

GNSS接收機測量得到的WGS84坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)預(yù)轉(zhuǎn)換為施工平面坐標(biāo)，一般采用布爾莎七參數(shù)法、莫洛登斯基三參數(shù)法。對于小面積范圍內(nèi)控制點平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和相對獨立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換，通常使用“四參數(shù)法”，其模型為式（1）所示：

式（1）中，x2、y2為目標(biāo)平面直角坐標(biāo)；x1、y1為待轉(zhuǎn)換的平面直角坐標(biāo)；Δx、Δy為兩個平移參數(shù)；α為旋轉(zhuǎn)參數(shù)；m為尺度比參數(shù)。

2.GNSS高程轉(zhuǎn)換為正常高的數(shù)學(xué)模型

2.1 大地高轉(zhuǎn)換為正常高

我國使用的是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高系統(tǒng)，GNSS接收機觀測得到的是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的大地高。正常高與大地高之間具有下列關(guān)系為式（2）所示：

式（1）中，h正常為正常高；H大地為大地高為高程異常。

2.2 高程異常的計算

H大地可以通過GNSS測量獲得，只需求得大地點的高程異常，即可計算出正常高h正常。在局部范圍內(nèi)，一般采用高程擬合的方式求得高程異常。

2.3 高程擬合數(shù)學(xué)模型

（1）在小范圍內(nèi)，我們可以將似大地水準(zhǔn)面認(rèn)為是一個平面，平面擬合數(shù)學(xué)模型為式（3）所示：

其中，a0、a1、a2表示待定系數(shù)。

（2）對于測區(qū)范圍較大時，我們假設(shè)似大地水準(zhǔn)面是一個二次曲面，二次曲面擬合模型為式（4）所示：

其中，a0、a1、a2、a3、a4、a5表示待定系數(shù)。

3.精度評定

3.1 GNSS控制網(wǎng)精度評定

（1）重復(fù)基線長度差。GNSS控制網(wǎng)基線處理后，任意兩條重復(fù)觀測基線長度之差應(yīng)滿足式（5）：

式中，σ為相應(yīng)級別規(guī)定的基線中誤差，計算時邊長按實際平均邊長計算。

（2）異步環(huán)各坐標(biāo)分量閉合差應(yīng)滿足式（6）：

3.2 高程控制網(wǎng)精度評定

可根據(jù)環(huán)閉合差或者附合路線閉合差評定，也可以與高程擬合結(jié)果對比評定。

4.工程應(yīng)用實例

4.1 項目概況

地形測量作業(yè)過程中密切關(guān)注測區(qū)海況及潮位日歷，加強人身安全保護，潮間帶及以上區(qū)域一般選擇低潮時段采用RTK人工上島測量，水下采用GNSS-RTK配合數(shù)字化測深儀測繪。RTK測量采用網(wǎng)絡(luò)RTK和自設(shè)基站相結(jié)合的方法，作業(yè)中加強測區(qū)控制參數(shù)的檢驗校核。地形測量同步設(shè)置驗潮站，對GNSS-RTK觀測水位進行比對檢查。

測區(qū)地理位置分布廣、控制范圍大，因此首級控制網(wǎng)采用C級GNSS控制網(wǎng)布設(shè)，共由10個控制點組成。控制網(wǎng)的設(shè)計綜合考慮了以下3方面因素：

（1）能滿足該測區(qū)地形圖測繪及其他測量工作；

（2）測區(qū)GNSS網(wǎng)最長邊長60km，最短邊長10km，平均邊長25km；

（3）交通便利性，觀測的可行性。C級GNSS控制網(wǎng)選用上海市城市平面控制網(wǎng)點GC03、G3353、G3667作為起算點，GNSS控制網(wǎng)（如圖1所示）：

圖1 控制點示意圖

4.2 儀器設(shè)備

（1）GNSS控制網(wǎng)靜態(tài)相對定位觀測選用徠卡GS14型GNSS接收機，分陸域和東部長江口島域控制點分兩次觀測，每次觀測2個時段，第1次第1時段自2019年4月23日9:10開始至13:10結(jié)束；第1次第2時段自13:20開始至17:20結(jié)束。第2次第1時段自2019年4月24日12:00開始至18:20結(jié)束；第2次第2時段自18:30開始至23:00結(jié)束。觀測時段和時長滿足規(guī)范要求；

（2）水準(zhǔn)儀1臺套（標(biāo)稱精度：0.3mm/km）;

（3）GNSS網(wǎng)基線解算及平差軟件。

4.3 GNSS觀測技術(shù)要求

4.3.1 GNSS靜態(tài)觀測精度要求（如表1所示）：

表1 GNSS外業(yè)觀測要求

GNSS觀測過程中還應(yīng)注意以下事項：

（1）接收機在開始觀測前，應(yīng)進行預(yù)熱和靜置，具體要求按接收機操作手冊進行；

（2）GNSS天線安置要求:天線高量取至1mm，天線基座上的水準(zhǔn)管氣泡必須嚴(yán)格居中，天線高從3個互為120°方向上量取，互差應(yīng)小于3mm；

（3）觀測員要細心操作，觀測期間防止接收機震動，更不得移動，要防止其他物體碰動天線或阻擋信號；

（4）觀測期間，不得在天線附近50m內(nèi)使用電臺，10m內(nèi)不得使用對講機、手機等電磁波接收及發(fā)射設(shè)備；

（5）天氣太冷時，接收機應(yīng)適當(dāng)保暖；當(dāng)天氣熱時，接收機應(yīng)避免陽光直接照射，確保接收機正常工作。

4.3.2 水準(zhǔn)測量按《國家三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范》中四等水準(zhǔn)測量要求施測

視線長度不大于100m；前后視距差不大于3m；前后視距累計差不大于10m；水準(zhǔn)路線總長度不大于80km。

水準(zhǔn)觀測時應(yīng)遵守以下事項：

（1）水準(zhǔn)觀測應(yīng)在標(biāo)尺成像清晰、穩(wěn)定時進行；使用數(shù)字水準(zhǔn)儀前，還應(yīng)進行預(yù)熱，預(yù)熱不少于20次單次測量；

（2）嚴(yán)禁為了增加標(biāo)尺讀數(shù)把尺墊安放在溝邊或壕坑中；

（3）一測站觀測時，不應(yīng)進行兩次調(diào)焦；

（4）每一測段的往測與返測，測站數(shù)均應(yīng)為偶數(shù)；由往測轉(zhuǎn)向返測時，兩支標(biāo)尺應(yīng)互換位置，并應(yīng)重新整置儀器；

（5）數(shù)字水準(zhǔn)儀觀測中應(yīng)避免望遠鏡直對太陽，當(dāng)確信震動源造成的震動消失后，才能啟動測量鍵。本測區(qū)自然環(huán)境較為惡劣，每天中午兩點后開始刮風(fēng)，無法施測水準(zhǔn)，因此水準(zhǔn)工作只能在每天上午進行，每測段往返測不能在同一天進行。

4.4 數(shù)據(jù)處理

4.4.1 GNSS基線解算

利用基線解算軟件解算基線，并統(tǒng)計同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差、重復(fù)基線限差需滿足要求。

4.4.2 GNSS網(wǎng)平差

利用網(wǎng)平差軟件三維無約束平差獲得三維大地坐標(biāo)（B,L,H）。然后利用二維約束平差的方法求解出平面坐標(biāo)（x，y）。

4.4.3 GNSS高程擬合

利用已知的GNSS水準(zhǔn)點構(gòu)建擬合函數(shù)模型，然后采用內(nèi)插的方法計算出未知點的高程。

4.5 測區(qū)控制網(wǎng)參數(shù)計算與精度分析

本測區(qū)控制網(wǎng)WGS84與CGCS2000之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，采用GNSS-RTK內(nèi)業(yè)點校正計算，平面坐標(biāo)采用D級GNSS控制網(wǎng)成果，高程采用四等水準(zhǔn)測量成果，經(jīng)計算得到水平殘差最大為1.1cm，高程殘差最大為1.6cm。可以看出測區(qū)區(qū)域控制參數(shù)計算結(jié)果、高程擬合計算結(jié)果的精度符合相關(guān)規(guī)范要求。

5.地形圖測繪

5.1 地形地貌主要指標(biāo)

低潮高地及暗礁地形地貌測繪包括干出區(qū)域和水域兩部分，其中，干出區(qū)域以實地測量、無人機航測、無人機激光掃描、遙感調(diào)查為主，結(jié)合調(diào)閱不同歷史時期的海圖、地形圖資料綜合對比分析；水域以GNSS-RTK配合數(shù)字化測深儀測繪。地形測量比例尺為1∶500～1∶5000，基巖礁測量比例尺為1∶500，沖積沙測圖比例尺1∶2000～1∶5000。

5.2 地形地貌測量要素

地形圖測量作業(yè)前，為驗證GNSS-RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的可靠性，會同第三方測量單位選取未參與校正的國家水準(zhǔn)點現(xiàn)場復(fù)核，GNSS-RTK測量高程與已知高程互差+0.013m。同時檢查校核了控制點D1的平面坐標(biāo)，差值小于±3cm。外業(yè)檢驗結(jié)果表明GNSS-RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)可靠，平面坐標(biāo)與高程精度滿足本次地形測量要求，符合規(guī)范的規(guī)定。地形地貌測量要素主要包括：

（1）海岸線（平均大潮高潮位時海陸分界的痕跡線）、干出灘、明礁、暗礁，低潮高地及暗礁位置、類型、長度及相關(guān)的自然地理要素；

（2）建筑物、碼頭、海堤、防波堤、系船樁、驗潮站、燈塔和各種顯著的可供海上航行的一切顯著的建筑物和天然目標(biāo)；

（3）沙體、淺灘和水下地形地貌，包括高程散點、沖溝、凹槽等；

（4）低潮高地植被分布范圍、植被種類等。

5.3 數(shù)據(jù)處理建庫要求

5.3.1 數(shù)據(jù)分類要求

需要對所有數(shù)據(jù)資料進行分類處理，建立標(biāo)準(zhǔn)化的低潮高地及暗礁數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后按照類別分類存儲，方便數(shù)據(jù)調(diào)用與展示。

5.3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計總體要求

數(shù)據(jù)庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要基于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行建庫。需要提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫接口規(guī)范，便于后期擴展及數(shù)據(jù)服務(wù)的提供。

5.3.3 數(shù)據(jù)處理要求

對上海市低潮高地及暗礁基礎(chǔ)調(diào)查成果數(shù)據(jù)進行匯編處理，主要包括：低潮高地及暗礁位置、類型、長度及相關(guān)的自然地理要素信息數(shù)據(jù)；岸灘地貌類型及分布特征信息數(shù)據(jù)；水深測量數(shù)據(jù)；地形圖測量數(shù)據(jù)；工程地質(zhì)勘查平面、剖面、鉆孔數(shù)據(jù)等。需將數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化處理入庫，可提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)服務(wù)。

5.4 低潮高地及暗礁基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)入庫要求

5.4.1 低潮高地及暗礁成果展示要求

低潮高地及暗礁地名展示、地質(zhì)沉積物展示和地形展示。

5.4.2 低潮高地及暗礁分析評價要求

低潮高地及暗礁水下地形沖淤變化分析、疑點疑區(qū)分析和低潮高地及暗礁利用情況統(tǒng)計分析。

5.4.3 數(shù)據(jù)庫整合要求

通過全面整合低潮高地及暗礁數(shù)據(jù)資料，實現(xiàn)對低潮高地及暗礁基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)及相關(guān)成果的可視化管理、統(tǒng)計和分析。需考慮與現(xiàn)有系統(tǒng)、在建系統(tǒng)、規(guī)劃系統(tǒng)的對接和資源的共享交換，實現(xiàn)與海域動管系統(tǒng)、“數(shù)字海洋”等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享交換，為低潮高地及暗礁綜合管理提供有效的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)支撐。

6.結(jié)束語

基于上海市低潮高地及暗礁基礎(chǔ)調(diào)查項目，長江口區(qū)域所包含的黃瓜五沙、顧園沙、下扁擔(dān)沙、下扁擔(dān)二沙、廟港沙、奚家港沙、北巷北沙、新瀏河沙、瑞豐沙、瑞豐二沙、瑞豐三沙、雞骨一礁、雞骨二礁及牛皮礁為研究對象，對研究區(qū)域低潮高地及暗礁的地理位置、權(quán)屬、形成及演變趨勢、地形地貌特征等各方面進行了詳盡調(diào)查；通過實地鉆探獲取巖芯的方式，對研究區(qū)域內(nèi)的地基土構(gòu)成與特征、水文地質(zhì)條件、場地地震效應(yīng)、不良地質(zhì)條件及特殊性巖土等工程地質(zhì)情況進行了詳細調(diào)查，并進行了具體分析與評價。對研究區(qū)域內(nèi)的地形地貌測繪平面及高程控制網(wǎng)的布設(shè)，控制網(wǎng)平差成果精度進行了分析；并簡要介紹了地形地貌測繪方法、使用的儀器設(shè)備，通過眩暈圖展示了長江口區(qū)域低潮高地及暗礁地形地貌概況。論述了測區(qū)平面及高程控制網(wǎng)的布設(shè)，并對控制網(wǎng)平差成果進行了精度分析；并簡要介紹了地形地貌測繪方法、使用的儀器設(shè)備等。