引入似大地水准面精化模型的山区水情监测方法

2016-09-08李和平

测绘通报 2016年8期

关键词：水准测量水准山区

杨　坤，李和平

(1. 贵州省测绘资料档案馆，贵州贵阳 550004； 2. 贵州省第一测绘院，贵州贵阳 550025)

引入似大地水准面精化模型的山区水情监测方法

杨坤1，李和平2

(1. 贵州省测绘资料档案馆，贵州贵阳 550004； 2. 贵州省第一测绘院，贵州贵阳 550025)

基于山区水情监测的内在需求与山地开展水准测量困难的地域实际，讨论了引入区域似大地水准面精化模型的GNSS静态高程测量方法代替等级水准的监测方法的可行性，以贵州省内分布均匀的15个CORS站点、20个C级点、11个水文站内的三等水准点作为研究基础，按照C级网精度要求布网观测，利用贵州省似大地水准面精化模型确定了高程异常。研究结果表明，该方法在贵州山区均达到五等水准测量精度，在模型拟合点较密的区域达到四等水准精度。

山区水情监测；似大地水准面精化模型；水准测量；GNSS静态高程测量

水情监测是防洪减灾、抗汛预警所必需的关键工作保障，应对重点水利工程(如水库、中小河流、水文控制站、城市积水区域)采用仪器原位监测，并将监测数据实时传回数据中心进行处理。其中高程是支撑水情监测、水文计算、水文预报和洪泛区预警的重要数据基础，快速准确地提供河流高程是水文监测的重要前提。

面对贵州省山区性河流滑坡泥石流频发，地形复杂、水平通视条件差、水资源分布不集中等地域实际，传统的水情监测方法由于工作周期较长、投入人力物力较大等因素已难以满足当今水文工作准确、高效的内在需求，因此探求一种快速高效的山区水情监测方法具有重要现实意义。随着GNSS连续运行参考站网的建立和完善，城市厘米级似大地水准精化成果已被普遍接受和应用，基于区域似大地水准面精化模型的GNSS静态高程测量方法在科研和生产中逐步应用[1-2]，为解决山区水情监测方法提供了新的契机。

全国各省市相继建立了省级似大地水准精化模型[3]，《卫星定位城市测量技术规范》(CJJ/T73—2010)对GNSS静态高程测量的技术要求、数据处理与检验等作出了详细规定；《水利水电工程测量规范》(SL197—2013)明确了GNSS静态高程测量方法对水利水电工程的等级水准获取的可用性。为验证GNSS静态高程测量替代水准测量在贵州山区的适用程度，本文首先对贵州省似大地水准精化模型进行简要的介绍；其次对基于区域似大地水准面精化模型的GNSS静态高程测量精度进行分析；最后利用实测的成果数据进行验证[4-5]。

一、GNSS静态高程代替山区等级水准测量的可行性

1. 贵州省似大地水准面精化成果

贵州省似大地水准面精化项目是国家测绘地理信息局继浙、闽、赣区域似大地水准面精化试点，华北地区似大地水准面精化，华东华中区域似大地水准面精化及川滇地区似大地水准面精化等项目后，开展的第5期区域性似大地水准面精化工作[6]。贵州省似大地水准面精化采用3种地球重力场模型(WDM94、IGG05B、EGM2008)，利用分区拟合纠正的方法[7-8]，获得了覆盖贵州省的所有行政州(市)、县(市、区)区域总面积约17万km2，分辨率为2.5′×2.5′的似大地水准面模型，总体高程精度达到4.2cm，针对山地地区提高了拟合点布设密度，精度达到3.6cm，优于总体精度，为区域快速高效的GNSS高程测量方法奠定了基础[9]。

2. 水准测量理论精度分析

从水准各精度指标内在联系出发，山区水准测量精度会有失准情况出现。以四等水准测量为例，精度指标主要有[10]：

1) 每千米水准测量的偶然中误差不超过5mm，每千米水准测量的全中误差不超过10mm。

3) 偶然中误差(观测精度)为

(1)

式中，N为测段数；R为测段长度；Δ为往返高差不符值。

根据误差传播定律，一测段的“往返不符值中误差”为

(2)

取N=1、R=1km，可得到每千米“往返不符值中误差”，将四等水准偶然中误差5mm代入该式可得四等水准每千米“往返不符值中误差”，也就是全中误差为10mm，每千米限差取2倍中误差即为20mm，山区应对该限差放宽至25mm。

山区地形高差较大，且路径曲折通视条件不好，山区的视距通常只能达到10～20m，甚至更小，必然造成反复设站。按15m视距计算，1km就要设近60站，往返就有120站，据此计算的闭合差限差为6.6cm，也就是说闭合差小于6.6cm就认为满足四等水准测量精度，但是据此计算得到的偶然中误差为13.2mm，全中误差为26.4mm，测量精度不能满足四等水准测量的精度要求，也达不到五等水准测量精度。如果依旧采用传统的水准测量方式，为了满足水情监测的精度要求就只能提高水准观测的等级。

3. GNSS静态高程理论精度分析

《卫星定位城市测量技术规范》(CJJ/T73—2010)对卫星定位高程测量的代替等级水准的模型精度要求、高程中误差、检测较差所作规定见表1。

表1　cm

考虑到模型内符合中误差和模型高程中误差的区别，以及模型选择的差异，模型内符合精度按模型高程中误差的2/3计算。山区的各项技术指标在平原的基础上放宽1.5倍执行。

根据误差传播定律，基于似大地水准面精化模型的GNSS静态高程测量中误差可表示为

(3)

式中，mh为GNSS静态高程测量中误差，单位为cm；mH为GNSS静态大地高测量中误差，单位为cm；mm为区域似大地水准面精化中误差，单位为cm；mi为接收机仪器高测量中误差,单位为cm。

(4)

式中，a为固定误差；b为比例误差；L为基线平均长度，单位为km。按接收机普遍类型，a取5mm，b取2×10-6，按C级网设计，L取20km，将以上参数代入式(4)，可计算出mH；再将mH代入式(3)可得mh为3.85cm，按照放宽1.5倍后作为山区精度的要求，可认为基于似大地水准面精化模型的GNSS静态高程测量理论上可取代四、五等水准。

二、GNSS静态高程测量工程实践

以贵州省内分布均匀的15个CORS站点、20个C级点、10个水文站内的三等水准点作为研究基础，进行GNSS静态高程测量代替等级水准测量的可行性实践研究。

采用南方测绘S86测地型接收机(5mm+1×10-6D),按照C级网精度要求布网观测，利用贵州省似大地水准面精化模型计算出高程异常；坐标基准为CGCS2000，高程基准为1985国家高程基准。

根据参与模型计算的观测点高程残差vi按以下公式计算内符合精度

(5)

(6)

根据验证结果(见表2)，将C级点高程残差代入式(5)，求得模型总体内符合精度为3.99cm,山地地区内符合精度为0.20cm，与提高贵州省似大地水准面精化模型山区拟合点密度的设计相符；将水文站水准点检测互差代入式(6)，求得总体高程中误差为6.55cm，满足五等水准测量精度要求，能快速反映山地区域河道上下游落差，狭窄河道水情骤变等情况。

成果精度主要受到地形起伏、精化模型拟合点密度等因素的影响，在高海拔但精化模型拟合点密度较高的区域，其中5个水文站XWSW、ELSW、MWSW、MXBM、XYSW能够达到四等水准精度水平。

表2　计算结果检测检查互查表　m

三、结束语

本文对基于贵州省似大地水准面精化模型的GNSS静态高程应用进行了研究，分析推导了采用GNSS静态高程代替山区等级水准测量的技术指标。理论推导和实践应用表明，基于似大地水准面精化模型的GNSS静态高程可代替山区五等水准测量，在拟合点点位密度较高的山区能够达到四等水准精度水平。

引入似大地水准面精化模型的山区水情监测有效克服了地形复杂、高差大、水平通视条件差等地域性测量困难，可为山区水情监测、防洪减灾与洪泛区预警高效快速地提供相应精度等级的数据支持，在水文系统周期性水准点校核和水文普查工作中，改变过去概略定位的工作方式，逐步将各等级水准点与区域CORS网联测，在贵州省似大地水准面精化模型的基础上增加水准点在区域拟合中的作用，这对贵州山地水文监测系统的建设与完善将有着较为深远的实际应用意义。

[1]覃锋.青藏高原中部似大地水准面精化的应用研究[J]. 测绘与空间地理信息，2006，37(1):187-189.

[2]赵建虎，王真祥，王胜平,等.大区域似大地水准面模型的建立方法研究[J].武汉大学学报(信息科学版)，2008，32(1)：68-71.

[3]陈俊勇,魏子卿,胡建国,等.迈入新千年的大地测量学——第22届IUGG大会有关大地测量部分的技术总结[J]. 测绘学报, 2000，29(2)：95-101.

[4]张正禄，邓勇，罗长林,等.利用GPS精化区域似大地水准面[J].大地测量与地球动力学,2006，26(4):14-17.

[5]陈为民，张旭东，符华年,等.GPS高程测量代替等级水准测量的应用研究 [J]. 武汉大学学报(信息科学版)，2013，38(7):828-831.

[6]宁津生，罗志才，李建成.我国省市级大地水准面精化的现状及技术模式[J]. 大地测量与地球动力学,2004,24(1):4-7.

[7]张全德，郭春喜，王斌,等.华北地区似大地水准面精化[J] .测绘通报， 2007(7):13-15.

[8]国家测绘局大地测量数据处理中心.贵州区域大地水准面精化项目数据处理报告[R].西安：[s.n.], 2010.

[9]国家三、四等水准测量规范：GB/T12898—91[S]. 北京:中国标准出版社,2009.

Hydrological Monitoring in Mountain Incorporating RegionalQuasi-geoidRefinedModel

YANG Kun，LI Heping

2016-04-08；