基于PPK 技術(shù)的高精度內(nèi)陸水庫(kù)水位測(cè)量

張 媛，劉東全，劉曉金

（交通運(yùn)輸部北海航海保障中心天津海事測(cè)繪中心，天津 300222）

引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”的實(shí)施，為內(nèi)陸水庫(kù)采集高精度的水下地形地貌數(shù)據(jù)，可保障庫(kù)區(qū)船舶安全航行，促進(jìn)當(dāng)?shù)睾竭\(yùn)事業(yè)及地方經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。在內(nèi)陸水庫(kù)測(cè)量中，水位的精確控制尤為重要。傳統(tǒng)的水位控制方式無(wú)法滿足復(fù)雜情況下水庫(kù)測(cè)量的需求，有一定的誤差，采用GPS PPK 技術(shù)能夠精確地進(jìn)行水位控制，提高三維水深測(cè)量的精度。

1 測(cè)量實(shí)施

1.1 測(cè)區(qū)概況

本文待測(cè)水庫(kù)呈西南一東北走向，庫(kù)區(qū)岸線長(zhǎng)約55 km，水面最寬處約6 km。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，采用GNSS PPK 技術(shù)進(jìn)行高精度的三維水深測(cè)量，有效地解決了測(cè)量區(qū)域河道彎曲、水面坡降變化大帶來(lái)的傳統(tǒng)水位測(cè)量方法無(wú)法準(zhǔn)確控制水位的難題，避免了由于水位觀測(cè)帶來(lái)的水位改正誤差，有效減少了水位站的設(shè)立，節(jié)約了大量人力物力，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)后處理程序，提高了水深測(cè)量的工作效率，并得到了實(shí)踐的檢驗(yàn)。

1.2 平面與高程控制

平面控制采用 2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000），高斯-克呂格3°帶投影，中央經(jīng)線為102°E。

陸域高程控制采用1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。高程控制測(cè)量采用GPS C 級(jí)網(wǎng)觀測(cè)的方式、聯(lián)測(cè)甘肅CORS，并結(jié)合甘肅省似大地水準(zhǔn)面精化成果獲取其1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)高程。

由于歷史水位資料匱乏，只能通過(guò)測(cè)量期間同步觀測(cè)水位，掌握測(cè)區(qū)的水位變化規(guī)律，并結(jié)合搜集到的部分歷史水位資料，綜合分析確定了以該水庫(kù)壩前水位站和壩后水位站分別作為本測(cè)區(qū)的基本水位站并設(shè)站觀測(cè)水位，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和測(cè)量期間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定了兩站的測(cè)深基準(zhǔn)面，同時(shí)布設(shè)了7 處臨時(shí)水位站，開展同步水位觀測(cè)，采用水位相關(guān)法及GNSS PPK 水位測(cè)量數(shù)據(jù)求取各臨時(shí)水位站的測(cè)深基準(zhǔn)面。測(cè)深基準(zhǔn)面亦連測(cè)至1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。

1.3 水位控制

該庫(kù)區(qū)水位變化主要受上游來(lái)水、季節(jié)性降水和人工控制水閘調(diào)節(jié)蓄水等影響，有其多年的季節(jié)性規(guī)律，通過(guò)對(duì)搜集的水位資料進(jìn)行分析，確定了其水位變化特點(diǎn)：庫(kù)區(qū)壩前水位一天內(nèi)變化緩慢，日變化量小；7、8、11 月的壩前月平均水位相對(duì)較低，壩后月水位相對(duì)較高；12 月份到轉(zhuǎn)年3 月份壩前月平均水位有逐漸變高趨勢(shì)，壩后月平均水位有逐漸變低趨勢(shì)，壩前月平均水位在3、4 月份一般處于峰值。

本次測(cè)量共布設(shè)了水位站9 處，各個(gè)水位站具體位置如下圖所示：

圖1 水位站位置示意圖

其中壩前站和壩后站作為本次測(cè)量庫(kù)區(qū)的基本水位站，在組織實(shí)施水深測(cè)量時(shí)，分區(qū)域進(jìn)行同步水位觀測(cè)；考慮到庫(kù)區(qū)水位變化主要取決于上游來(lái)水、季節(jié)性降水和人工大壩調(diào)節(jié)等因素，合理安排同步水位觀測(cè)時(shí)間，確保了水位觀測(cè)的可靠性、連續(xù)性和一致性。

2 GNSS PPK 水位測(cè)量

2.1 GNSS PPK 測(cè)量原理

PPK技術(shù)是利用載波相位進(jìn)行事后差分的GPS定位技術(shù)，是一種動(dòng)態(tài)測(cè)量后處理模式。其工作原理是：利用進(jìn)行同步觀測(cè)的一臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)和一臺(tái)流動(dòng)站接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行載波相位觀測(cè)；后處理時(shí)在計(jì)算機(jī)中利用GPS 處理軟件進(jìn)行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測(cè)量值，確定接收機(jī)之間厘米級(jí)的相對(duì)位置。

在已知控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，并準(zhǔn)確量取天線高度。其中測(cè)區(qū)1 上游基準(zhǔn)站至流動(dòng)站最遠(yuǎn)距離 9.3 km，下游基準(zhǔn)站至流動(dòng)站最遠(yuǎn)距離8.8 km；測(cè)區(qū)2 基準(zhǔn)站至流動(dòng)站最遠(yuǎn)距離10 km；測(cè)區(qū)3 基準(zhǔn)站至流動(dòng)站最遠(yuǎn)距離6 km。

圖2 基準(zhǔn)站和水位站的位置關(guān)系

在船體重心位置且開闊區(qū)域架設(shè)流動(dòng)站，準(zhǔn)確量取流動(dòng)站天線至水面高度。

在iRTK 手簿分別配置并啟動(dòng)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站。其中設(shè)置基準(zhǔn)站時(shí)需要輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)（BLH）及天線高度；基準(zhǔn)站和流動(dòng)站作業(yè)模式選擇PPK 模式，衛(wèi)星截止高度角均設(shè)置為15°，采樣頻率均設(shè)置為1 Hz。

開始測(cè)量前，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站初始化觀測(cè)20分鐘，而后開展正常PPK 數(shù)據(jù)采集。測(cè)量船走航期間，連續(xù)采集PPK 數(shù)據(jù)；測(cè)量船靠岸后，仍需開展20 分鐘觀測(cè)，然后再關(guān)閉所有設(shè)備電源；整個(gè)測(cè)量期間，岸邊水位站同步觀測(cè)。

1）高程異常求解

本項(xiàng)目中應(yīng)用了平面擬合法與固定差改正法求解高程擬合參數(shù)。平面擬合法，設(shè)測(cè)區(qū)內(nèi)高程控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)為(xi,yi)，此時(shí)選用插值函數(shù)：

固定差改正法即在地形起伏變化較小區(qū)域，認(rèn)為測(cè)區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的高程異常值是相同的，通過(guò)已知控制點(diǎn)的高程異常值，取其平均值，作為測(cè)區(qū)內(nèi)高程異常加常數(shù)。

采用已知控制點(diǎn)，分別應(yīng)用平面擬合法和固定差改正法求解高程擬合參數(shù)，最終各個(gè)點(diǎn)位殘差數(shù)據(jù)值均小于3 cm。

2）基線解算

采用專用軟件處理PPK 模式下的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行基線解算，得到解算報(bào)告。

3）基面確定

由于測(cè)區(qū)水文條件復(fù)雜，水勢(shì)變化大，所以在測(cè)區(qū)結(jié)合水位站長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)和PPK 模式沿河道采集的測(cè)區(qū)各個(gè)位置的水面高程數(shù)據(jù)，分別確定了庫(kù)區(qū)上下游的基面。

由于庫(kù)區(qū)上游水流較快，水位落差變化較大，通過(guò)GNSS PPK 觀測(cè)發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)水位呈非線性變化，考慮到測(cè)區(qū)上邊界距離大壩后站存在一定距離，本次采用GNSS PPK 沿河道快速往返測(cè)量的方式（盡可能消弱時(shí)間變化造成的影響）確定了上游河道的落差趨勢(shì)，通過(guò)多次觀測(cè)分析確認(rèn)上游存在一處水面坡降折點(diǎn)，水流經(jīng)此處后河道變寬，水面坡降變緩，如圖3～4 所示：

圖3 庫(kù)區(qū)上游PPK 水位采集

庫(kù)區(qū)下游通過(guò)GNSS PPK 觀測(cè)發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)水位基本呈線性變化，與水位站同步觀測(cè)的結(jié)果吻合，由此得到下游測(cè)深基準(zhǔn)面。

圖4 庫(kù)區(qū)下游PPK 水位采集

4）水位推算

采用專用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)基線解算報(bào)告分別進(jìn)行濾波處理、水位改正數(shù)改正等工作，其中水位改正時(shí)輸入測(cè)區(qū)基面控制點(diǎn)位置及其基面高程和河道拐點(diǎn)坐標(biāo)，最終得到走航式水位文件。

2.2 與人工觀測(cè)水位的比對(duì)

（1）靜態(tài)情況下比對(duì)

將基準(zhǔn)站架設(shè)于碼頭站作為控制點(diǎn)，流動(dòng)站架設(shè)于已知控制點(diǎn)做PPK 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。采集數(shù)據(jù)與控制點(diǎn)已知高程相比得誤差分布圖，其中實(shí)驗(yàn)最大偏差3 cm。

圖5 兩日PPK 誤差分布圖

（2）動(dòng)態(tài)情況下比對(duì)

根據(jù)測(cè)量船應(yīng)用PPK 模式在4 個(gè)水位站附近位置采集的在航水位數(shù)據(jù)與同時(shí)刻水位站采集水位數(shù)據(jù)相比較，可得PPK 在航水位測(cè)量精度。通過(guò)85 高程數(shù)據(jù)對(duì)水位站水位與PPK 水位進(jìn)行比較。

表1 測(cè)量船PPK 動(dòng)態(tài)結(jié)果比較

2.3 水位改正方案

測(cè)量期間沿岸布設(shè)3 處水位站均與壩前站有同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，其同步觀測(cè)瞬時(shí)水位落差分別為 0.219 m、0.163 m 和0.126 m。兩端兩站水位相關(guān)性良好，滿足直線分帶改正的基本條件，最終決定采用壩前站和臨時(shí)1#站對(duì)庫(kù)區(qū)水深進(jìn)行水位改正，其水位相關(guān)曲線圖如圖6 所示。

圖6 壩前站水位曲線

測(cè)量期間該區(qū)域同時(shí)使用水位站同步觀測(cè)及PPK 水位測(cè)量?jī)煞N模式進(jìn)行作業(yè)，考慮到該區(qū)域水流湍急且存在一定落差，最終使用成果GNSS PPK模式進(jìn)行水位改正；改正后三維側(cè)掃聲吶及條帶測(cè)深儀數(shù)據(jù)條帶拼接良好，主檢測(cè)線比對(duì)滿足規(guī)范要求。

碼頭站和壩前站同步觀測(cè)瞬時(shí)水位差為 0.309 m，兩站水位曲線變化態(tài)勢(shì)一致，使用雙站直線分帶改正。

圖7 碼頭站水位曲線

3 分析與討論

為控制水深測(cè)量成果質(zhì)量，本次測(cè)量使用單波束進(jìn)行檢查線測(cè)量，比對(duì)半徑按照?qǐng)D上間距1 mm設(shè)定。主檢測(cè)線共比對(duì)206 點(diǎn)，超限點(diǎn)為16 個(gè)，占比7.8 %；主檢測(cè)線共比對(duì)786 點(diǎn)，超限點(diǎn)為33個(gè)，占比4.2 %；比對(duì)結(jié)果顯示主檢測(cè)線水深符合情況良好，符合測(cè)量規(guī)范要求。

項(xiàng)目采用GNSS PPK 技術(shù)進(jìn)行了高精度的三維水深測(cè)量，有效地解決了測(cè)量區(qū)域河道彎曲、水面坡降變化大帶來(lái)的傳統(tǒng)水位測(cè)量方法無(wú)法準(zhǔn)確控制水位的難題。通過(guò)GNSS PPK 采集水位數(shù)據(jù)與水位站觀測(cè)水位數(shù)據(jù)比對(duì)，及最終水深成果主檢比對(duì)表明，GNSS PPK 水位測(cè)量數(shù)據(jù)精度能夠滿足常規(guī)水深測(cè)量的需求，且具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）在水文條件復(fù)雜，水勢(shì)變化大的水域具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可有效減少水位站的設(shè)立，且在水深成果解算過(guò)程中能夠有效消除船只動(dòng)態(tài)吃水和涌浪等因素帶來(lái)的水深成果誤差；

2）不需建立數(shù)據(jù)傳輸，避免了距離上的限制，作業(yè)半徑大，基本可以控制50～80 km 的距離，其平面定位精度可達(dá)±10 mm+1 ppm×D，高程精度可達(dá)±10 mm+1 ppm×D（D 為基線長(zhǎng)度）；

3）克服了傳統(tǒng)固定水位站水位獲取方法的不足，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)實(shí)地水位獲取，確保了獲取水位的現(xiàn)勢(shì)性和準(zhǔn)確性。

在本次測(cè)量過(guò)程中有效解決了以下水位控制方面的技術(shù)難點(diǎn)：

1）測(cè)區(qū)空間跨度大，多為自然岸線，人工構(gòu)筑物也均為斜坡式構(gòu)筑物，設(shè)立水位站難度大；

2）庫(kù)區(qū)枯水季和豐水期水位落差達(dá)8～9 m，同時(shí)由于大壩人工調(diào)節(jié)徑流量，使得水位采集數(shù)據(jù)有出現(xiàn)震動(dòng)不規(guī)律現(xiàn)象；

3）測(cè)區(qū)共布設(shè)了9 個(gè)水位站，由于測(cè)區(qū)跨度大，有水庫(kù)和上游內(nèi)河，測(cè)量期間只能采用分段測(cè)量方式進(jìn)行，合理選擇了壩前和壩后兩個(gè)水位站為基本水位站長(zhǎng)期觀測(cè)水位，確保了水深作業(yè)后水位后處理改正的基準(zhǔn)一致性；

4）以壩前和壩后兩個(gè)水位站為基本水位站，采用水位相關(guān)的方法確定臨時(shí)水位站的測(cè)深基準(zhǔn)面，充分考慮了水下地形高程不同的影響，避免了使用同一測(cè)深基準(zhǔn)面帶來(lái)的測(cè)量誤差，使最終制圖成果實(shí)用效果更強(qiáng)，保證了測(cè)量成果的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

GNSS PPK 水位測(cè)量模式僅需設(shè)立基準(zhǔn)站，流動(dòng)站架設(shè)方便，其能解算沿航跡點(diǎn)的基于穩(wěn)定高程異常值下的水下正常高，點(diǎn)與點(diǎn)間時(shí)間間隔短，能夠點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的提供密集的水位改正信息，可有效提升水深測(cè)量精度。在庫(kù)區(qū)相對(duì)典型區(qū)域使用PPK 測(cè)量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，并與傳統(tǒng)水位改正方法所出成果進(jìn)行對(duì)比分析，兩種方式精度相當(dāng)，為以后類似測(cè)量任務(wù)提供了技術(shù)支撐和依據(jù)。