金炎平　　邵永生　　羅　興　　金　勇　　龍嬌榮

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢　430012；2.浙江省大成建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江 杭州　310012)

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青海湖容積測(cè)量中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

金炎平1邵永生2羅興1金勇1龍嬌榮1

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢430012；2.浙江省大成建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江 杭州310012)

摘要：青海湖是我國(guó)最大的咸水湖，由于湖泊面積大，且當(dāng)?shù)貧庀笞兓瘡?fù)雜，以前從未開展過湖泊測(cè)量工作。鑒于此，通過對(duì)青海湖容積測(cè)量工作中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，在湖泊測(cè)量與容積量算過程中，對(duì)建立控制網(wǎng)、水下地形測(cè)量、容積量算3個(gè)主要技術(shù)節(jié)點(diǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行技術(shù)總結(jié)，可為以后同類型的湖泊測(cè)量借鑒。

關(guān)鍵詞：咸水湖；地形測(cè)量；容積測(cè)量；青海湖

2011年12月27日，水利部水文局(水利信息中心)在北京召開《第一次全國(guó)水利普查青海省青海湖容積測(cè)量》成果審查會(huì)，成果獲得與會(huì)專家認(rèn)可和贊譽(yù)，一致認(rèn)為項(xiàng)目執(zhí)行單位在高海拔且復(fù)雜的氣象條件下，通過精心組織，克服風(fēng)大浪高的困難，首次系統(tǒng)地對(duì)青海湖進(jìn)行了容積測(cè)量，其成果可作為重要的基本國(guó)情信息之一，填補(bǔ)了青海湖沒有湖泊容積歷史資料的空白，對(duì)青海湖的綜合開發(fā)、生態(tài)保護(hù)等具有重要意義。

青海湖容積測(cè)量工作內(nèi)容包括測(cè)區(qū)勘察、測(cè)區(qū)基本控制網(wǎng)建立、青海湖1∶50 000水下地形測(cè)繪、青海湖水下地形圖與航測(cè)地形圖套繪、湖泊容積計(jì)算等。從工作內(nèi)容中的技術(shù)節(jié)點(diǎn)來看，其關(guān)鍵性技術(shù)主要體現(xiàn)在湖區(qū)基本控制網(wǎng)的建立、水下地形測(cè)量和容積量算。本文就這3個(gè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。

1　建立湖區(qū)基本控制網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)8個(gè)GPS點(diǎn)(如圖1)，其中GODK、G175、IGL1 3個(gè)點(diǎn)為具有高等級(jí)CGCS 2000坐標(biāo)，TIAN(Ⅱ天岔24)、XIAO(校2)、GODK(Ⅱ天岔46)、IGL1(Ⅰ格蘭102基1)具有高等級(jí)水準(zhǔn)高程。新增設(shè)的Q001、Q003、HXS0點(diǎn)以石刻標(biāo)記點(diǎn)名，標(biāo)心為測(cè)繪釘標(biāo)。

圖1　控制網(wǎng)點(diǎn)位示意

1.2GPS網(wǎng)觀測(cè)

2011年7月15～16日，測(cè)量隊(duì)員克服種種困難，共觀測(cè)了3個(gè)時(shí)段。7月15日測(cè)量隊(duì)利用7臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)了2個(gè)時(shí)段，同步時(shí)段長(zhǎng)均為60 min；7月16日利用3臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)了1個(gè)時(shí)段，同步時(shí)段長(zhǎng)為72 min，歷元間隔均為15 s。經(jīng)GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件TEQC 質(zhì)量檢查，觀測(cè)質(zhì)量基本滿足設(shè)計(jì)要求[1]。

1.3GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理采取了兩種方案，具體對(duì)比見表1。

表1　GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方案對(duì)比

(1) 在方案1中，采用徠卡數(shù)據(jù)處理軟件(LGO),利用廣播星歷進(jìn)行基線處理，輸出基線解在COSAGPS數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算。

(2) 在方案2中，使用精密GPS基線解算軟件(GAMIT)，利用精密星歷進(jìn)行基線處理，輸出基線解在精密GPS數(shù)據(jù)平差軟件(GLOBK)進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算。

以上兩種數(shù)據(jù)處理方案，采用的數(shù)據(jù)星歷、基線解算模型、基線處理軟件、平差方式、平差軟件均不同，處理結(jié)果都比較好。經(jīng)過比對(duì)新增網(wǎng)點(diǎn)的成果，差值統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2　兩種數(shù)據(jù)處理方案成果差值統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)表明，兩種結(jié)果差值比較小，成果能夠相互印證。因此，GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果是可靠的。

1.4控制網(wǎng)高程基準(zhǔn)的建立

控制網(wǎng)點(diǎn)利用的已知水準(zhǔn)控制點(diǎn)數(shù)目少，采用常值擬合的方法，得到大地高和似大地水準(zhǔn)面之間的差距。然后，求取近似水準(zhǔn)高和水準(zhǔn)高之間的差距平均值(常值擬合)。最后利用計(jì)算得到的平均值(改正量)和各點(diǎn)的近似正常高(由青海省似大地水準(zhǔn)面計(jì)算得到的近似水準(zhǔn)高)，便可以得到各控制點(diǎn)的水準(zhǔn)高。驗(yàn)證高程擬合精度，選取4個(gè)已知大地經(jīng)緯度、大地高的點(diǎn)，得到的水準(zhǔn)高程與已知的水準(zhǔn)高程差值，其結(jié)果如表3所示，擬合方法精度優(yōu)于6 cm，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

表3　擬合水準(zhǔn)高與已知水準(zhǔn)高差值

2　水下地形測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1測(cè)線設(shè)計(jì)

青海湖東西向長(zhǎng)約109 km，南北向約65 km。沿東西向布置主測(cè)線167條、測(cè)線間距850 m，測(cè)點(diǎn)間距400 m，見圖2。

圖2　青海湖水深測(cè)量主測(cè)線布設(shè)示意

2.2水位站布設(shè)

水位是水域測(cè)量的基礎(chǔ)。針對(duì)高原湖泊——青海湖湖區(qū)面積大的特點(diǎn)，為有效控制測(cè)量期沿湖泊東西、南北向水位變化，測(cè)量隊(duì)于2011年7月10～15日在湖西端、東北部、東南部及湖心分別布設(shè)鳥島、甘子河河口、下社、海心山4處臨時(shí)水位站，見圖3。其中，下社水位站為青海水文局于1983年遷移設(shè)立，觀測(cè)至今。

圖3　青海湖臨時(shí)水位站布置示意

2.3水位站的校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程

臨時(shí)水位站設(shè)置校核水準(zhǔn)點(diǎn)2點(diǎn)和1組直立式水尺，安裝壓阻式水位自記儀1套。

鳥島、甘子河河口水位站的校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程，布設(shè)支線水準(zhǔn)路線，使用自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，以四等幾何水準(zhǔn)精度測(cè)量[2]。

海心山水位站的校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程，以HXS0、鳥島校1為引據(jù)點(diǎn)，采用GPS RTK方式測(cè)量。由于鳥島與海心山之間距離較遠(yuǎn)(約20 km)，進(jìn)行GPS RTK 測(cè)量時(shí)，在數(shù)據(jù)鏈傳輸中使用了中繼站技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)即在基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間，設(shè)置一套中繼數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)基準(zhǔn)站的差分信號(hào)，擴(kuò)大RTK基準(zhǔn)站差分信號(hào)的覆蓋范圍。工作原理見圖4。

圖4　中繼站工作原理

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2.4水位觀測(cè)

測(cè)量期，湖區(qū)各水位站的水位使用壓阻式水位自計(jì)儀觀測(cè)，數(shù)據(jù)采樣間隔1 h。7月15日、7月22日和8月4日，即開展水域測(cè)量前、測(cè)量中期和結(jié)束時(shí)，在每一臨時(shí)水位站測(cè)量隊(duì)使用直立式水尺觀測(cè)水位，用以率定自記儀測(cè)量水位的精度，連續(xù)觀測(cè)30 min(采樣間隔5 min)，其人工觀測(cè)水位與自記水位的誤差均小于2 cm,其觀測(cè)誤差見表4。自記儀記錄水位與臨時(shí)水尺水位比對(duì)精度統(tǒng)計(jì)如表4。

表4　自記儀水位與臨時(shí)水尺水位對(duì)比

2.5平面定位參數(shù)求取

使用星站GPS采集測(cè)區(qū)控制點(diǎn)WGS84坐標(biāo)，求取平面轉(zhuǎn)換三參數(shù)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)計(jì)其轉(zhuǎn)換殘差，結(jié)果見表5。從結(jié)果可以看出，所求的三參數(shù)在整個(gè)測(cè)區(qū)轉(zhuǎn)換精度均優(yōu)于 0.2 m，與星站差分GPS本身的標(biāo)稱精度相當(dāng)，說明參數(shù)精度較高，滿足技術(shù)要求。

2.6水深測(cè)量

青海湖容積測(cè)量采用了Odom ECHOTRAC MKⅢ、Odom HYDROTRAC、HY1600等3種測(cè)量?jī)x。 測(cè)量?jī)x采用船舷外掛安裝在船體中部，傳感器入水深 0.5 m。GPS天線位于傳感器正上方。

青海湖是中國(guó)第一大咸水湖，含鹽度約為12.5‰。水深測(cè)量中的聲速受到水溫和含鹽度的影響。2011年7月18日，測(cè)量隊(duì)使用水溫計(jì)在湖區(qū)中部分別量取水體表層(入水0.5 m)、底層(入水25 m)水溫，其溫差為 1.8℃，測(cè)深儀測(cè)深 25.6 m與測(cè)深錘測(cè)深較差 0.2 m。

每天水深測(cè)量前，使用水溫計(jì)和鹽度儀測(cè)量水體水溫和鹽度，使用GB/T 12327—1998《海道測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的聲速公式計(jì)算應(yīng)用聲速，進(jìn)行測(cè)深檢驗(yàn)[3]。測(cè)深檢驗(yàn)方法是使用測(cè)深儀、測(cè)錘測(cè)量同點(diǎn)水深(水深大于5 m)。如果同點(diǎn)水深互差小于 0.1 m，滿足設(shè)計(jì)書要求后，即進(jìn)入水深測(cè)量。測(cè)量時(shí)，施儀人員密切監(jiān)控測(cè)深儀、水深測(cè)量記錄，出現(xiàn)零線漂移、不定標(biāo)等現(xiàn)象立即停測(cè)。排除故障后，重新做水深檢測(cè)后，再進(jìn)入水深測(cè)量工作。

C=1449.2+4.6T-0.055T2-0.000 29T3+

(1.34-0.01T)(S-35)+0.017D

(1)

式中，C為聲速，m/s；T為水體水溫，℃；S為水體含鹽度，‰；D為測(cè)區(qū)平均水深，m。

2011年8月4日，使用Odom ECHOTRAC MKⅢ、HY1600兩種測(cè)深儀在84和85兩條測(cè)線上同步比測(cè)水深，同點(diǎn)水深互差均小于 0.1 m。即兩種測(cè)深儀測(cè)深精度可靠，置入的校正聲速等參數(shù)正確[4]。

2.7水涯線測(cè)量

2000年以來，青海湖湖水位整體穩(wěn)定，多年平均湖水位 3 194.42 m，年內(nèi)水位變幅約 0.36 m。采用實(shí)測(cè)水涯線數(shù)據(jù)(特別是湖區(qū)碼頭、橋梁等固定建筑物)，與2011年6月青海湖區(qū)分辨率為 2.5 m衛(wèi)片(南京水利科學(xué)研究院湖泊研究所提供)的水涯線數(shù)據(jù)比對(duì)，其最大位置誤差小于 37.5 m，幾何形狀基本一致。因此，測(cè)量人員不能到達(dá)的沼澤區(qū)水涯線采用衛(wèi)片數(shù)據(jù)。但經(jīng)對(duì)湖區(qū)沼澤區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)查，沼澤區(qū)草高約20～40 cm，草地邊沿與水涯線過渡區(qū)約有20～75 m帶寬，沼澤區(qū)水涯線為草地與湖水體的明顯分界線，與實(shí)際水涯線存在一定偏差。長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局所在的東部測(cè)區(qū)內(nèi)，其北部存在無人沙漠區(qū)，同時(shí)還采用了國(guó)家減災(zāi)委員會(huì)2011年7月24日攝制的現(xiàn)時(shí)衛(wèi)片(圖5)需以驗(yàn)證(該衛(wèi)片攝制時(shí)青海湖上空無云層遮蔽，水體清晰)。

圖5　國(guó)家減災(zāi)委員會(huì)2011年7月24日攝制的衛(wèi)星圖片

2.8數(shù)據(jù)處理

水域地形測(cè)量數(shù)據(jù)主要包括水位觀測(cè)數(shù)據(jù)、水深測(cè)量數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)。通常采用水文綜合測(cè)量軟件，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除粗差后，再編輯、合并。

2.8.1水位數(shù)據(jù)

青海湖地處青藏高原，水域?qū)拸V，氣候復(fù)雜多變。測(cè)量期，常遇5～7級(jí)陣風(fēng)，湖面風(fēng)浪較大，各水位站自動(dòng)記錄的水位過程呈波浪狀。先剔除水位數(shù)據(jù)粗差，按時(shí)間序列直線插補(bǔ)缺失的水位數(shù)據(jù)，再對(duì)各站的水位數(shù)據(jù)平滑處理，處理后的水位數(shù)據(jù)即為應(yīng)用水位數(shù)據(jù)。

2.8.2水深數(shù)據(jù)

每日測(cè)量水深數(shù)據(jù)，次日完成合理性檢查，剔除水深數(shù)據(jù)粗差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，剔除水深數(shù)據(jù)粗差量?jī)H為全部水深數(shù)據(jù)量的2%。按照J(rèn)TJ203-2001《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》中水深內(nèi)業(yè)整理要求，當(dāng)水深測(cè)量受風(fēng)浪影響回波信號(hào)呈波浪狀時(shí)，水深從距波峰1/3波高處量取，逐點(diǎn)核對(duì)、改算水深數(shù)據(jù)[5]。

水深數(shù)據(jù)改算到成圖高程基準(zhǔn)的處理方案是：將測(cè)點(diǎn)定位數(shù)據(jù)與水深數(shù)據(jù)合并，使用Hypack軟件導(dǎo)入各水位站應(yīng)用水位數(shù)據(jù)文件，以測(cè)量時(shí)間和測(cè)點(diǎn)距測(cè)區(qū)各水位站距離權(quán)重，計(jì)算測(cè)點(diǎn)應(yīng)用水位并改算至成圖高程基準(zhǔn)。

3　湖泊容積量算中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1量算方法

以2011年7月1∶50 000的湖區(qū)地形圖為基礎(chǔ)資料，以實(shí)測(cè)的地形散點(diǎn)和等高線作為DEM建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用GeoHydrology 4.0軟件構(gòu)建DEM模型量算青海湖容積，并分析量算誤差。

3.2容積量算

采用規(guī)則網(wǎng)格法計(jì)算湖泊容積，理論上網(wǎng)格越密計(jì)算精度越高，但是湖區(qū)地形圖的測(cè)點(diǎn)間距最小400 m(水域部分)，陸上測(cè)點(diǎn)更稀少，所以選擇400 m×400 m網(wǎng)格大小，構(gòu)建整個(gè)湖區(qū)基于正方形網(wǎng)格的規(guī)則網(wǎng)立體模型(DEM模型)，對(duì)湖區(qū)三維立體表面用不同高程面進(jìn)行切割，即可得到各高程面下的湖區(qū)面積和湖容積。對(duì)于某一水面高程，采用棱柱體積計(jì)算方式，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格底面至水面的體積，然后疊加得到某一水位下的總體積，即湖容積。使用GeoHydrology 4.0、Sufer 8.0軟件量算青海湖容積成果。兩種量算成果略有差異，容積較差的平均差為0.87億m3，中誤差為 0.35億m3，說明成果是可靠的。

3.3量算精度

3.3.1誤差因素

湖泊容積量算精度主要取決于DEM 精度，影響DEM 精度的主要因素為地形圖精度(地區(qū)類別、成圖比例尺)和DEM 生產(chǎn)中的相關(guān)因素。

3.3.2精度評(píng)價(jià)

依據(jù)青海湖2011年7月1∶50 000數(shù)字化地形圖和以此取得的規(guī)則400 m×400 m DEM地形網(wǎng)格，選樣數(shù)據(jù)最大高程3 195.00 m，最小高程3 167.48 m。計(jì)算數(shù)據(jù)中抽出28個(gè)高程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)兩種軟件構(gòu)建的DEM內(nèi)插高程誤差，見表6。

表6　內(nèi)插點(diǎn)高程誤差統(tǒng)計(jì)　m

表6統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，GeoHydrology 4.0軟件構(gòu)建的DEM內(nèi)插點(diǎn)的高程精度略優(yōu)于Sufer 8.0軟件精度。統(tǒng)計(jì)以5 m步長(zhǎng)，使用GeoHydrology 4.0軟件計(jì)算各水位級(jí)下容積計(jì)算誤差(見表7)。

表7　青海湖容積量算誤差估算

4　結(jié)　論

青海湖容積測(cè)量取得成功，得益于以下關(guān)鍵性技術(shù)的運(yùn)用。

(1) 控制網(wǎng)測(cè)量階段，采用精密星歷進(jìn)行解算，并基于青海省似大地水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行高程擬合，所得結(jié)果既滿足精度要求，也解決了局部控制難于引入的問題，效率倍增。

(2) 水下地形測(cè)量階段，平面定位參數(shù)求取精度高，深度測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)控制得當(dāng)，水位站布設(shè)合理，水涯線采用最新影像匹配，精度滿足要求。

(3) 容積量算階段，采用計(jì)算的模型精度高，能夠用不同軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，保證了結(jié)果的嚴(yán)密性。

總之，青海湖容積測(cè)量中運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于西部湖泊測(cè)量的開展具有較好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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[5]JTJ 203-2001 水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范[S].

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-05-15

作者簡(jiǎn)介：金炎平，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，高級(jí)工程師.

文章編號(hào)：1006-0081(2016)07-0022-05

中圖法分類號(hào)：P331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A