湖泊形态特征测量方法及应用研究

2011-04-25夏清炳田祥勇谢俊峰童春华

中国水利 2011年15期

夏清炳，田祥勇，谢俊峰，童春华

（湖北省黄冈市水文局，430071，黄冈）

全国第一次水利普查正在全面开展，河流湖泊普查十分必要。按照最新的《水道观测规范》（SL 257—2000）实测湖泊面积容积等形态特征，无疑是最标准的方法。但是由于《水道观测规范》起草的时间距今已有10余年，受当时技术条件的限制，规范规定的水下测量方法，由于GPS—RTK作用距离的限制，难以解决大型湖泊平面定位和水面高程的精度问题。随着测量新技术新仪器的发展，特别是全国部分省份测绘CORS网的建立开通，为湖泊形态特征测量提供了新途径。

一、湖泊形态特征测量常规方法

按照《水道观测规范》，湖泊形态特征测量常规方法，外业主要有平面控制测量、高程控制测量、水下地形测量和岸上地形测量，内业主要有地形图成图，各级水位（高程）相应的湖容、湖泊面积、湖泊特征值计算等。

1.平面控制测量

平面坐标系统一般采用1954北京坐标系或1980西安坐标系。每个湖泊附近最少需收集两个国家GPS点作为平面控制的引据点。平面控制采用GPS静态模式测量，按照《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB／T 18314—2009）施测。

2.高程控制测量

收集湖泊附近的国家和工程单位的水准点，等级不低于三等水准。高程控制测量的目的是提供控制点较高精度的高程数值，是GPS系统及水位观测必需的基础参数，要求按四等水准测量规范施测，高程系统采用1985国家高程基准。

设立水尺，引测水尺零点高程。对于大型湖泊或有明显比降的湖泊，须设立多组水尺，每天同时观测湖泊水位。

3.水下地形测量

水下测图比例尺根据湖泊大小分别选择不同的比例尺，一般为1∶2000～1∶25000。水下地形测量采用RTK配数字化测深仪施测。测量完成后，使用测深仪数据处理软件对所测原始数据进行合理化检查、处理（包括原始测量数据编辑、水位观测数据单站或多站水位改正等），生成.dat格式数据文件。

4.岸上地形测量

湖泊水面以上至堤顶（或历年最高水位）陆地部分地形图，比例尺大于1∶5000时应按照规范实测，其他比例尺可根据1∶10000湖泊周边地形图套绘。对于地形变化较大，高程与密度不足以控制地形转折点的地区，加测高程点。

5.图形合成

将水下测量数据、水边测量数据和岸上测量数据同时展绘于图上，应用成图软件合成湖泊地形全图。

6.内业计算与分析

根据水下和岸上地形合成图，应用成图软件按DTM数字建模。用三角网法计算各级水位相应的面积和湖容。填制水位（高程）—湖泊面积—湖容关系表，绘制水位—湖容、水位—面积曲线，计算平均水深，挑选湖泊特征值等。

二、常规方法的局限性

1.外业工作量大

湖泊周边控制网需要通过GPS测量、水准高程引测。对于岸线地形复杂的地区，引测水准高程有相当的困难；对于湖汊较多、不规则的湖泊和大型湖泊，需要多次移动GPS基站。外业人员往返无效时间多，效率低。

2.水面高程实时改正难

规范方法获取湖底高程的方式是用水位减去实测水深，因此在开展水下测量前，需要在湖泊设立水尺，观测水位。对于大型湖泊或河道式湖泊，湖泊的水面不是一个平面，有的水面比降还很大，而且有的湖泊水面线不是线性变化。虽然设立多组水尺可以起到改正水面高程的作用，但内业处理量大，精度相对较差。

3.水面测量距离限制

众所周知，GPS—RTK是有作用距离限制的，一般不超过10km。对于宽度大于20 km的湖泊，RTK的测量误差是随着距离的增加而加大的，超过一定距离，其精度不能满足测量规范要求。

三、CORS系统技术简介

CORS系统全称为连续运行卫星定位服务系统（Continuously Operating Reference Stations System），可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的GPS／GNSS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网（LAN／WAN）技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户提供经过检验的不同类型的GPS观测值（载波相位，伪距），各种改正数、状态信息，以及其他有关GPS服务项目的系统。CORS技术能全面取代常规大地测量控制网，全天候地支持各种类型GPS测量、定位、变形监测和放样作业。目前湖北省网络CORS已实现全省覆盖，于2010年12月投入运行，所用参数均由湖北省测绘局CORS中心提供。HBCORS技术指标如表1。

采用CORS系统测量所得到是的WGS84等协议坐标系下的三维坐标信息。由于我国使用的是平面和高程测绘基准相分离的体系，平面采用国家坐标系（如国家1980直角坐标系）或城市独立坐标系统，高程则采用的是正常高程系统（1985国家高程基准），所以CORS网络使用的好坏主要取决于CORS系统的平面坐标与高程系统的转换问题。平面坐标转换一般采用七参数或四参数求解，高程转换通常可采用高程拟合方法（如平面拟合、曲面拟合），但对较大范围或较高精度的高程转换则必须通过近似大地水准面的精化确定才能求取（故CORS测得数据一般要发给CORS中心解算，主要是因为高程转换要通过近似大地水准面的精化来确定）。

CORS相对自设基站的RTK有诸多优点：①用户不需要架设本地的参考站，从而避免架设参考站时带来潜在的误差；②不存在数据完整性的监控；③无需人员留守看护基准站，提高了生产效率；④解决了通信不便，特别是采用GPRS进行数据传输，解决了远距离测量的通信问题；⑤不存在电源供给不足的问题；⑥无需进行首级控制静态GPS测量和水准高程引测等。由此可见，CORS对湖泊测量特别是大湖测量优势十分明显。

四、CORS系统在湖泊测量中的应用

在湖泊测量中，通过接收CORS站所发射的差分信号进行快速实时三维定位。湖北省水文水资源局于2011年4—5月，采用湖北省测绘局全省网络CORS对洪湖进行了湖容、面积测量。

洪湖是湖北省第一大湖，长约23.4 km，宽约20.8 km，常年水域面积约306km2。由于时值洪湖干旱期，水深只有0.6 m左右，又因不需要作控制测量和水准引测，所以本次测量人员仅8人，投入RTK4台，测深仪未用，直接用RTK采集陆地和水下数据。将采集的数据直接在HBCORS网“在线服务系统个人中心”进行在线实时转换，可以得到标准的平面坐标和高程数据，测量人员再根据实际情况及时进行内业整理。经过近30天的野外工作，按照1∶10000测图规范，全面完成了洪湖430km2的外业测量任务。此次洪湖测量，比常规方法提高工效40%以上，同时节省大量人力和费用。

1.精度评价

（1）平面坐标系统

采用湖北省测绘局提供的洪湖地区七参数，对洪湖东、西、南三个湖北省GPSC级网点：黄蓬山GPS t706、柳关GPS t719、螺山镇GPS t784进行校核，精度如表2。

由表2可见，采用湖北省CORS及七参数解算的平面坐标精度很高，应用于洪湖的平面定位测量完全满足规范要求。

（2）高程系统

洪湖因面积较大，在没有使用高程拟合参数情况下测得黄蓬山GPS t706、柳关 GPS t719、螺山镇 GPS t784三点的高程差异值分别为15.949 m、17.679 m、16.671 m，将实测数据发回CORS中心解算后，三点高程相差值分别为-0.036 m、0.008 m、0.028 m。另通过CORS对洪湖新堤闸水文站基本水准点和长委螺山水文站两个校核点进行校核，经CORS中心进行解算后的高程差值为长委校21：-0.0175 m。长委校24：0.0297m。新堤水文站校1：-0.069m。这表明RTK实测高程经过CORS中心解算后，精度可靠，完全满足湖泊测量技术要求。