GNSS高程测量在跨江水准测量中的应用

马继东

（安徽省长江河道管理局,安徽 芜湖 241001）

长江安徽省段平原圩区面积大,农业产量高,城镇、工业、交通、经济发达,在国民经济中占很大比重。由于长江河势变化十分复杂,河道摆动幅度较大,势必对航道稳定和通航安全造成影响。因此,加强长江河道动态监测与分析,确保河势稳定,对保证航行安全、充分发挥黄金水道的作用具有重要意义。

长江安徽省段干流正常水位时,水面宽度绝大部分都超过1 km,汛期水面宽度最宽处甚至超过7 km、8 km。沿江两岸的水准线路联测较少,在实际应用中经常发现两岸水准点存在误差较大,特别是在水文测验两岸水位比降观测中存在异常现象。2020 年在芜裕、马鞍山河段水文测验中,就发现两岸水位差值较大,横向比降异常。由于江面较宽,采用传统的跨河水准方法难度较大。因此采用GNSS高程测量进行跨江水准联测,可较好地解决大跨度的过河水准测量的难题。

1 传统跨河水准和GNSS高程测量

传统跨河水准当水准路线跨越江河,视线长度在200 m以内时,可用一般观测方法进行。若视线长度超过200 m时,应根据跨河宽度和仪器设备等情况,选用直接读尺法、光学测微法、经纬仪倾角法或测距三角高程法[1]。跨河场地要求选择在水面较窄、地质坚实、便于设站的河段。

GNSS高程测量利用GNSS卫星定位技术测定点位大地坐标,利用似大地水准面成果和点位坐标获得该点的高程异常,根据大地高和高程异常求解点位的正常高。或在小区域范围内,采用GNSS高程拟合方法计算得到点位的正常高[2]。

由于长江干流安徽省段江面较宽,两岸大多种植了防浪林,地质及通视状况较差,采用传统跨河水准观测方法接测跨江水准难度较大。GNSS高程测量技术成熟,且受地势影响较小、不受通视条件影响,布网灵活,因此代替传统跨河水准具有较大的优势。

2 GNSS高程测量在跨江水准中的应用

2020 年6 月在芜裕河段和马鞍山河段水文测验中,发现同一水文断面左右岸水位差值较大,有的超过了20 cm,经分析、校核后发现可能是两岸水准线路不统一或不均匀沉降等因素造成的。为了统一两岸水位起算点高程,决定实施过江水准。

根据现场条件和实际情况,从固定通道过江、传统跨河水准和GNSS高程测量三种方案中选取GNSS高程测量来实施过江水准,将两岸水准线路进行联测[3]。过江位置选在芜湖河段大拐处和马鞍山河段马和轮渡处,两处两岸地势平坦高差较小,地质条件相差不大,大拐和马和轮渡处江面宽度分别约13 km和28 km,两处过江点直线距离约50 km,并与两岸布设的水准路线进行联测。

2.1 过江水准线路及精度要求

本次高程基准采用1985 国家高程基准,起算数据采用右岸过江点附近的国家一等水准点皖水甲I上和I青宁68（11）作为起算点,GNSS过江水准精度设为四等跨河测量精度。

GNSS高程测量跨江线路见图1。其中WB-WC为芜裕河段大拐处过江线路,MB-MC为马鞍山河段马和轮渡处过江线路。

图1 GNSS高程测量跨江线路示意图

跨河点和非跨河点在外业观测前1天,在预先选好的地面干燥、土质坚硬的位置上植入钢钉,见图2。

图2 地钉示意图

依据《GPS高程测量规范》（DB32/T 1223-2008）,按照GNSS C级网观测精度来进行观测,采用GNSS正常高差代替四等水准高差。

2.2 GNSS高程测量野外观测

为提高观测精度,本次观测采用6 台徕卡GNSSGS14 进行同步观测。其静态后处理标称精度,水平为：3 mm+0.3 ppm,垂直为：5 mm+0.3 ppm,满足有关规范要求。外业观测时依据《GPS高程测量规范》（DB32/T 1223-2008）,结合《国家一、二等水准测量规范》（GB/T12897-2006）,芜湖大拐处观测时段数为3 个,马鞍山马和轮渡处观测时段数为5 个。每个时段2 小时,采样间隔10 s。两处过江处观测时间间隔一天,并均在一天内完成。

天线高采用钢体队中杆,分别在观测前、观测后分三个不同方向测量取平均值,读数互差均小于1.0 mm。GNSS整网观测前后,按照三等水准测量精度,分别对同岸GNSS水准点之间的高差进行连测,以检测各点位的沉降变化,高差变化量满足三等水准测量检测要求。

2.3 GNSS高程测量数据处理及成果计算

本次数据处理中央子午线选取了118°30',接近测区中心中央子午线。

GNSS基线解算采用TrimbleTBC软件,分别对两处过江线路进行自动和交互式的基线矢量解算。基线解算时以2 h为一单元,将连续观测的数据截断为多个时段进行基线解算,使每一个同步环的观测图形各基线多有重复基线处理结果。

GNSS网平差处理仍然采用TBC软件,在基线向量检测符合要求后,以三维基线向量及相应方差-协方差阵作为观测信息,分别以过河点WB、MB的WGS84 下的三维坐标作为起算数据,进行GNSS网无约束平差。

高差计算参照《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897-2006）,计算高程异常变化率[4]。公式如下：

式中：aAB为AB方向的高程异常变化率,m/km；SAB为A、B点间的平距,km；ΔHGAB为AB间的大地高差,m；ΔHγAB为AB间的正常高差,m。

由每一个非跨河点与最近的跨河点计算出一个高程异常变化率,最后将两岸得到的不同高程异常变化率取平均值作为跨河河段的高程异常变化率[5]。本次GNSS高程测量高程异常变化率较差参照二等GNSS高程测量的标准,同岸高程异常变化率a较差小于0.013 m,不同岸a较差小于0.018 m,见表1。

表1 高程异常变化率计算表

由（2）式计算出跨河段的跨河水准高差：

式中：ΔHγAB为BC间的正常高差,m；ΔHγAB为BC间的大地高差,m；aBC为BC方向的高程异常变化率,m/km；SBC为BC点间的平距,km。

3 数据精度统计

全部观测基线按两处过江点,采用TrimbleTBC软件一次解算成功,无约束平差时剔除了WA1-WA2、MA1-MA2基线,基线处理数据利用率均大于80%。

（1）复测基线的长度较差（ds）检查,应满足下式的规定：

式中：a、b为仪器标称精度指标；D为实际平均边长。

（2）同步环检查,坐标分量闭合差（Wx、Wy、Wz）和环坐标闭合差（Ws）为异步环限差值的1/2。

（3）异步环检查,坐标分量闭合差（Wx、Wy、Wz）和环坐标闭合差（Ws）应满足下式的规定：

式中：n为组成异步环的边数。

芜湖大拐处平均基线长度约1.7 km,马鞍山马和轮渡处平均基线长度约2.5 km。基线解算时,将观测设备标称精度及误差参数在软件中进行了设置,基线解算后对3 条有效基线组成的同步环、异步环和重复基线质量及精度进行统计。

重复基线最大互差1.2 mm,基线最大相对误差1∶340785。

其中同步环最大相对误差值为0.32 ppm,异步环相对误差最大值为3.26 ppm。

（4）无约束平差中,基线分量的改正数绝对值（VΔx、VΔy、VΔz）应满足下式[6]：

平差后经统计最大点位中误差为2.1mm,椭球高中误差为1.9mm。

（5）以右岸国家一等水准点皖水甲I上和I青宁68（11）作为起算点,将两处过江水准线路与左岸水准路线连接计算,线路总长70.278 km,按四等水准符合线路闭合参允许为167 mm,实际闭合差为21 mm。并将左岸水位重新计算,断面水位横向差值均在10 cm以内。

4 结语

随着科技不断进步发展,测绘技术和手段也越来越先进和丰富。采用GNSS高程测量进行大跨度的过河水准测量,特别是通视状况较差的河段,具有较大的优越性和可操作性。但为了增加可靠性,分别于两处不同地点跨江,并将线路连接,精度满足四等水准精度要求。

由于受现场通视条件等因素限制,没有采用三角高程测量进行校核,是本次应用案例的不足之处。GNSS高程测量进行跨河水准的精度,关键在于场地的选取、天线高的准确测量以及高程异常的精确求取,本次应用虽然等级不高,但在实际应用中仍值得借鉴和推广。