胡道科,扈亞琴

(四川省水文水資源勘測中心,成都 610036)

1 基本情況

1.1 項目概況

四川省水文系統(tǒng)各類水文(位)站點共664個,長期以來水位基準(zhǔn)多采用黃海、吳淞、假定等不同的高程系統(tǒng),導(dǎo)致流域內(nèi)上下游水位無法直接比較使用,嚴(yán)重影響水文監(jiān)測預(yù)警預(yù)報、防汛減災(zāi)及水資源管理等工作。本項目結(jié)合四川省水利廳組織開展的全省水旱災(zāi)害風(fēng)險普查工作,將四川省水文系統(tǒng)的水文(位)站通過高程測量統(tǒng)一到1985國家高程系統(tǒng)。

1.2 測區(qū)概況

四川省位于中國大陸地勢第一級青藏高原和第三級長江中下游平原的過渡帶,西高東低,地貌復(fù)雜。西部為高原、山地,海拔多在3 000 m以上;東部為盆地、丘陵,海拔多在500～2 000 m。

四川省河流眾多,以長江水系為主,流域面積100 km2以上的河流有1 368條,流域面積500 km2以上的河流285條,流域面積10 000 km2以上的河流有20條,除西北部的白河、黑河由南向北注入黃河外,其余均屬長江水系[1]。東部盆地區(qū)主要河流有岷江、青衣江、沱江、涪江、嘉陵江、渠江;西部高原和高山峽谷區(qū)主要河流有大渡河、雅礱江、金沙江及安寧河。

川西北高原高山地區(qū)由于地形條件惡劣,干線公路技術(shù)等級低,路網(wǎng)稀疏,路況較差,落石滑坡路段多,通行安全隱患較大。本項目中三州地區(qū)的水文(位)站點數(shù)量占全省總量的1/4,點間距離遠(yuǎn),點位觀測條件差,實施難度高,通行時間和費用成本高,是整個項目的困難點。四川盆地、川東和川南地區(qū)高速、國道、省道、縣道、村村通等路網(wǎng)完善,路況條件較好,外業(yè)觀測效率相對川西較高。

2 工作內(nèi)容

收集全省水文系統(tǒng)664個水文(位)站的基本信息,對GNSS[2]外業(yè)靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)和SCCORS同時段數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)測解算獲取水文(位)站水準(zhǔn)點的CGCS2000平面坐標(biāo)和大地高,利用四川省衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準(zhǔn)站系統(tǒng)(SCCORS)[3]的似大地水準(zhǔn)面精化模型[4]將水準(zhǔn)點的大地高擬合為1985基準(zhǔn)高程,實現(xiàn)全省664個水文(位)站水準(zhǔn)點高程系統(tǒng)統(tǒng)一到1985國家高程基準(zhǔn)。

3 基準(zhǔn)與精度指標(biāo)

3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)

坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)。

表1 2000國家大地坐標(biāo)系橢球參數(shù)

3.2 高程基準(zhǔn)

高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn),高程轉(zhuǎn)換利用SCCORS系統(tǒng)似大地水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行擬合轉(zhuǎn)換。擬合精度見圖1。

圖1 四川似大地水準(zhǔn)面擬合精度

3.3 時間基準(zhǔn)

GNSS觀測采用協(xié)調(diào)世界時(UTC),外業(yè)觀測記錄采用北京標(biāo)準(zhǔn)時(BST)。

3.4 聯(lián)測基準(zhǔn)站

根據(jù)四川省衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準(zhǔn)站系統(tǒng)(SCCORS)186個基準(zhǔn)站作為本次項目平面控制和高程統(tǒng)一的起算點。

CORS系統(tǒng)是連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(Continuously Operating Reference Stations),即由一個或若干個固定的24 h連續(xù)運行的GNSS基準(zhǔn)站,利用計算機、數(shù)據(jù)通訊和互聯(lián)網(wǎng)(LAN/WAN)技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò),實時地向不同類型、不同層次的用戶提供經(jīng)過檢驗的不同類型的GNSS觀測值、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息及其他有關(guān)GNSS服務(wù)項目的系統(tǒng)[5]。目前四川省已基本建成186個兼容北斗的多模衛(wèi)星連續(xù)運行基準(zhǔn)站(SCCORS系統(tǒng)),能夠為全省提供可靠和高效的空間位置靜態(tài)和動態(tài)服務(wù),滿足用戶對高精度、穩(wěn)定、連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)需求。

3.5 主要精度指標(biāo)

GNSS控制網(wǎng)測量精度指標(biāo)達(dá)到E級標(biāo)準(zhǔn),滿足表2要求。

表2 GNSS控制網(wǎng)測量精度指標(biāo)要求

4 項目實施

4.1 測量方案的比較選取

在項目實施之前,項目組提前搜集了全省水文系統(tǒng)的664個水文(位)站點基礎(chǔ)信息、664個站點的分布狀況,各測區(qū)的地形、氣候、交通等資料。省水文系統(tǒng)水文(位)站點數(shù)量眾多,分散在全省21個市(州),甘孜、阿壩、涼山等地區(qū)交通條件困難,且大部分站點距離國家基本水準(zhǔn)點距離較遠(yuǎn),采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量方法進(jìn)行測量耗時長、花費人力物力巨大。經(jīng)對傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量、GNSS靜態(tài)測量、GNSS RTK動態(tài)測量、基于SCCORS系統(tǒng)的靜態(tài)測量等方案進(jìn)行綜合比較分析,采用基于SCCORS系統(tǒng)的靜態(tài)擬合測量方案最優(yōu),測量精度較高,測量方式靈活,不受地域、起算點等因素影響,測量效率高,經(jīng)濟(jì)成本低。最終,確定全省水文系統(tǒng)664個水文(位)站高程統(tǒng)一工作采用基于SCCORS系統(tǒng)的靜態(tài)測量方式。各測量方案優(yōu)缺點對照見表3。

表3 各測量方案優(yōu)缺點對照

4.2 技術(shù)路線

項目組根據(jù)SCCORS已有基準(zhǔn)站及施測水準(zhǔn)點的分布位置、與參考站之間的距離、地形高差對觀測精度的影響因素,及似大地水準(zhǔn)面精化成果在不同測區(qū)精度指標(biāo)的差異,確定相應(yīng)站點GNSS觀測時長,最大可能提升數(shù)據(jù)精度。在川西北高原高山地區(qū),由于地勢起伏大,CORS基準(zhǔn)站分布較少,基線距離長,外業(yè)觀測參照D級控制網(wǎng)要求執(zhí)行(甘孜州、阿壩州、涼山州和綿陽西北部地區(qū)),四川盆地和川東地區(qū)參照E級控制網(wǎng)要求執(zhí)行外業(yè)觀測作業(yè),靜態(tài)觀測采集GPS+BDS衛(wèi)星數(shù)據(jù)聯(lián)合處理,內(nèi)業(yè)參照E級控制網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。

四川省水文系統(tǒng)的水文(位)站已建成的水準(zhǔn)點部分位于站房墻角、河堤、坎下、樹林等不利于GNSS觀測的位置,此類水準(zhǔn)點的85基準(zhǔn)高程值的確認(rèn)通過在附近選擇開闊地帶設(shè)置臨時GNSS觀測點,通過基于SCCORS系統(tǒng)靜態(tài)測量方式觀測并解算得到臨時觀測點85基準(zhǔn)高程值,再采用三等水準(zhǔn)測量方式將臨時觀測點的85基準(zhǔn)高程值引測到水準(zhǔn)點從而得到水準(zhǔn)點85基準(zhǔn)高程值。項目實施技術(shù)路線見圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

5 質(zhì)量控制及評定

5.1 內(nèi)業(yè)解算

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后, 自然資源部第三大地測量隊 CORS 中心解算人員聯(lián)合各觀測點的GNSS觀測數(shù)據(jù)與周邊SCCORS 基準(zhǔn)站的同步數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的基線解算、平面和高程約束網(wǎng)平差、精度評定、85高程轉(zhuǎn)換、輸出解算報告和高程成果表。根據(jù)解算報告進(jìn)行精度評定,對中誤差超限的觀測點,根據(jù)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和現(xiàn)場情況判定原因(如周圍有植被或建筑遮擋、高壓線、信號塔等電磁干擾等),確定原因后避開干擾源重新選擇觀測點并進(jìn)行復(fù)測。

5.2 外業(yè)校測

在外業(yè)觀測及內(nèi)業(yè)解算工作結(jié)束后,項目組隨機抽取了漢王場(二)、高景關(guān)(四)、和平、街子4個水文站的水準(zhǔn)點,采用基于SCCORS系統(tǒng)靜態(tài)測量方式,延長靜態(tài)測量觀測時長對該4個水準(zhǔn)點進(jìn)行復(fù)測,解算出85高程值作對比(如表4)。經(jīng)過對比驗證,原觀測成果可靠,可以采用。

表4 水準(zhǔn)點校測結(jié)果比較

5.3 外業(yè)RTK大地高檢查及水準(zhǔn)測量高差核對

在自然資源部第三大地測量隊CORS中心完成GNSS成果解算后,地區(qū)水文中心將計算得出的水準(zhǔn)點高程成果整理復(fù)核,并使用RTK到水文(位)站現(xiàn)場逐個核對成果表中高程點、臨時點大地高程值及水準(zhǔn)觀測高差值。在檢查、復(fù)核設(shè)有臨時觀測點的水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)時,發(fā)現(xiàn)部分點位在三等水準(zhǔn)測量時未按要求從高程點往臨時點進(jìn)行返測,導(dǎo)致高差值正負(fù)號記反,地區(qū)水文中心組織逐個核查522個設(shè)置有臨時觀測點的《水準(zhǔn)測量記錄表》數(shù)據(jù),對有誤數(shù)據(jù)全部做了校正。

5.4 成果質(zhì)量評價

除G689外,所有相鄰點基線垂直分量中誤差都≤限差±40 mm,滿足E級網(wǎng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)(見表5)。點位平均高度誤差0.028 6 m,最弱高度誤差0.107 m,最優(yōu)高度誤差0.007 m。

表5 各市州整體數(shù)據(jù)相鄰點基線垂直分量中誤差及限差

本次水文(位)站高程統(tǒng)一測量技術(shù)路線正確,成果資料齊全,數(shù)據(jù)真實可靠,各項技術(shù)參數(shù)基本滿足《水利水電工程測量規(guī)范》(SL 197-2013)要求,可滿足四川省防汛減災(zāi)、水資源管理等工作需要。

6 結(jié)語

四川省水文(位)站點數(shù)量眾多,分布范圍廣,且大部分距離國家基本水準(zhǔn)網(wǎng)較遠(yuǎn),采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量方法雖然精度高,但存在工作量大、資金投入大、人力成本高、時間周期長等缺點。SCCORS系統(tǒng)由最初的建立到逐步加密,逐步優(yōu)化精化模型,已能夠為全省提供可靠且高效的空間位置動態(tài)和靜態(tài)服務(wù)。

本次四川省水文系統(tǒng)664個水文(位)站點高程統(tǒng)一工作采用GNSS聯(lián)測SCCORS基準(zhǔn)站,再結(jié)合似大地水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行高程擬合轉(zhuǎn)換得到水文(位)站85高程的工作方式節(jié)約了項目實施時間,減少了資金和人力成本,為防汛減災(zāi)、水資源管理提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。