上海市低潮高地及暗礁基础测量控制网建立与地形图测绘

刘 宇

（上海川河水利规划设计有限公司，上海 201200）

0.引言

GNSS测量技术和几何水准测量技术作为当今建立地面测量控制网的两种主要手段，被广泛地应用于各种工程测量控制网的建立中。GNSS建立地面平面控制网较传统的边角测绘法具有明显的优势，GNSS平面控制网布设的基本原则：充分考虑各测区的地理分布特征，按规范要求确定控制网等级、图上设计网图、实地踏勘选点埋石，确保区域控制网观测安全可行，控制网精度可靠，满足规范和地形测图要求。

国家2010年3月1日起施行的《中华人民共和国海岛保护法》第六章附则中规定：“低潮高地是指在低潮时四面环海并高于水面，但在高潮时没入水中的自然形成的陆地。”而暗礁是由基岩组成，指低潮时不出露水面的礁。上海市低潮高地均处在亚热带季风气候区，受东亚季风影响，四季分明、温和湿润，地貌类型主要为冲积沙岛。冲积沙岛多分布于长江河口，成因类型多，历史演变过程受长江径流和潮流的共同作用，有时演变强烈，生成和消亡，有时缓慢或相对稳定平衡。2012年上海市政府批准了上海市市辖海域内黄瓜五沙、顾园沙、下扁担沙等17个低潮高地及牛皮礁1个暗礁。

本文主要总结了GNSS静态测量结合几何水准测量法建立测图控制网的方法及测量过程中的注意事项，并利用已经建立的控制网为基准开展地形图测绘工作。实践证明：文中方法在提高效率的同时，能够满足大比例尺地形图测绘的要求。

1.GNSS大地坐标转换为平面坐标的数学模型

GNSS接收机测量得到的WGS84坐标系下的大地坐标预转换为施工平面坐标，一般采用布尔莎七参数法、莫洛登斯基三参数法。对于小面积范围内控制点平面坐标转换和相对独立的平面坐标系统间的转换，通常使用“四参数法”，其模型为式（1）所示：

式（1）中，x2、y2为目标平面直角坐标；x1、y1为待转换的平面直角坐标；Δx、Δy为两个平移参数；α为旋转参数；m为尺度比参数。

2.GNSS高程转换为正常高的数学模型

2.1 大地高转换为正常高

我国使用的是以似大地水准面为基准的正常高系统，GNSS接收机观测得到的是以参考椭球面为基准面的大地高。正常高与大地高之间具有下列关系为式（2）所示：

式（1）中，h正常为正常高；H大地为大地高为高程异常。

2.2 高程异常的计算

H大地可以通过GNSS测量获得，只需求得大地点的高程异常，即可计算出正常高h正常。在局部范围内，一般采用高程拟合的方式求得高程异常。

2.3 高程拟合数学模型

（1）在小范围内，我们可以将似大地水准面认为是一个平面，平面拟合数学模型为式（3）所示：

其中，a0、a1、a2表示待定系数。

（2）对于测区范围较大时，我们假设似大地水准面是一个二次曲面，二次曲面拟合模型为式（4）所示：

其中，a0、a1、a2、a3、a4、a5表示待定系数。

3.精度评定

3.1 GNSS控制网精度评定

（1）重复基线长度差。GNSS控制网基线处理后，任意两条重复观测基线长度之差应满足式（5）：

式中，σ为相应级别规定的基线中误差，计算时边长按实际平均边长计算。

（2）异步环各坐标分量闭合差应满足式（6）：

3.2 高程控制网精度评定

可根据环闭合差或者附合路线闭合差评定，也可以与高程拟合结果对比评定。

4.工程应用实例

4.1 项目概况

地形测量作业过程中密切关注测区海况及潮位日历，加强人身安全保护，潮间带及以上区域一般选择低潮时段采用RTK人工上岛测量，水下采用GNSS-RTK配合数字化测深仪测绘。RTK测量采用网络RTK和自设基站相结合的方法，作业中加强测区控制参数的检验校核。地形测量同步设置验潮站，对GNSS-RTK观测水位进行比对检查。

测区地理位置分布广、控制范围大，因此首级控制网采用C级GNSS控制网布设，共由10个控制点组成。控制网的设计综合考虑了以下3方面因素：

（1）能满足该测区地形图测绘及其他测量工作；

（2）测区GNSS网最长边长60km，最短边长10km，平均边长25km；

（3）交通便利性，观测的可行性。C级GNSS控制网选用上海市城市平面控制网点GC03、G3353、G3667作为起算点，GNSS控制网（如图1所示）：

图1 控制点示意图

4.2 仪器设备

（1）GNSS控制网静态相对定位观测选用徕卡GS14型GNSS接收机，分陆域和东部长江口岛域控制点分两次观测，每次观测2个时段，第1次第1时段自2019年4月23日9:10开始至13:10结束；第1次第2时段自13:20开始至17:20结束。第2次第1时段自2019年4月24日12:00开始至18:20结束；第2次第2时段自18:30开始至23:00结束。观测时段和时长满足规范要求；

（2）水准仪1台套（标称精度：0.3mm/km）;

（3）GNSS网基线解算及平差软件。

4.3 GNSS观测技术要求

4.3.1 GNSS静态观测精度要求（如表1所示）：

表1 GNSS外业观测要求

GNSS观测过程中还应注意以下事项：

（1）接收机在开始观测前，应进行预热和静置，具体要求按接收机操作手册进行；

（2）GNSS天线安置要求:天线高量取至1mm，天线基座上的水准管气泡必须严格居中，天线高从3个互为120°方向上量取，互差应小于3mm；

（3）观测员要细心操作，观测期间防止接收机震动，更不得移动，要防止其他物体碰动天线或阻挡信号；

（4）观测期间，不得在天线附近50m内使用电台，10m内不得使用对讲机、手机等电磁波接收及发射设备；

（5）天气太冷时，接收机应适当保暖；当天气热时，接收机应避免阳光直接照射，确保接收机正常工作。

4.3.2 水准测量按《国家三、四等水准测量规范》中四等水准测量要求施测

视线长度不大于100m；前后视距差不大于3m；前后视距累计差不大于10m；水准路线总长度不大于80km。

水准观测时应遵守以下事项：

（1）水准观测应在标尺成像清晰、稳定时进行；使用数字水准仪前，还应进行预热，预热不少于20次单次测量；

（2）严禁为了增加标尺读数把尺垫安放在沟边或壕坑中；

（3）一测站观测时，不应进行两次调焦；

（4）每一测段的往测与返测，测站数均应为偶数；由往测转向返测时，两支标尺应互换位置，并应重新整置仪器；

（5）数字水准仪观测中应避免望远镜直对太阳，当确信震动源造成的震动消失后，才能启动测量键。本测区自然环境较为恶劣，每天中午两点后开始刮风，无法施测水准，因此水准工作只能在每天上午进行，每测段往返测不能在同一天进行。

4.4 数据处理

4.4.1 GNSS基线解算

利用基线解算软件解算基线，并统计同步环闭合差、异步环闭合差、重复基线限差需满足要求。

4.4.2 GNSS网平差

利用网平差软件三维无约束平差获得三维大地坐标（B,L,H）。然后利用二维约束平差的方法求解出平面坐标（x，y）。

4.4.3 GNSS高程拟合

利用已知的GNSS水准点构建拟合函数模型，然后采用内插的方法计算出未知点的高程。

4.5 测区控制网参数计算与精度分析

本测区控制网WGS84与CGCS2000之间的转换参数，采用GNSS-RTK内业点校正计算，平面坐标采用D级GNSS控制网成果，高程采用四等水准测量成果，经计算得到水平残差最大为1.1cm，高程残差最大为1.6cm。可以看出测区区域控制参数计算结果、高程拟合计算结果的精度符合相关规范要求。

5.地形图测绘

5.1 地形地貌主要指标

低潮高地及暗礁地形地貌测绘包括干出区域和水域两部分，其中，干出区域以实地测量、无人机航测、无人机激光扫描、遥感调查为主，结合调阅不同历史时期的海图、地形图资料综合对比分析；水域以GNSS-RTK配合数字化测深仪测绘。地形测量比例尺为1∶500～1∶5000，基岩礁测量比例尺为1∶500，冲积沙测图比例尺1∶2000～1∶5000。

5.2 地形地貌测量要素

地形图测量作业前，为验证GNSS-RTK坐标转换参数的可靠性，会同第三方测量单位选取未参与校正的国家水准点现场复核，GNSS-RTK测量高程与已知高程互差+0.013m。同时检查校核了控制点D1的平面坐标，差值小于±3cm。外业检验结果表明GNSS-RTK坐标转换参数可靠，平面坐标与高程精度满足本次地形测量要求，符合规范的规定。地形地貌测量要素主要包括：

（1）海岸线（平均大潮高潮位时海陆分界的痕迹线）、干出滩、明礁、暗礁，低潮高地及暗礁位置、类型、长度及相关的自然地理要素；

（2）建筑物、码头、海堤、防波堤、系船桩、验潮站、灯塔和各种显著的可供海上航行的一切显著的建筑物和天然目标；

（3）沙体、浅滩和水下地形地貌，包括高程散点、冲沟、凹槽等；

（4）低潮高地植被分布范围、植被种类等。

5.3 数据处理建库要求

5.3.1 数据分类要求

需要对所有数据资料进行分类处理，建立标准化的低潮高地及暗礁数据库，将数据标准化后按照类别分类存储，方便数据调用与展示。

5.3.2 数据库设计总体要求

数据库设计标准主要基于建设标准中相关国家、行业标准规范进行建库。需要提供标准的数据库接口规范，便于后期扩展及数据服务的提供。

5.3.3 数据处理要求

对上海市低潮高地及暗礁基础调查成果数据进行汇编处理，主要包括：低潮高地及暗礁位置、类型、长度及相关的自然地理要素信息数据；岸滩地貌类型及分布特征信息数据；水深测量数据；地形图测量数据；工程地质勘查平面、剖面、钻孔数据等。需将数据进行标准化、规范化处理入库，可提供标准数据服务。

5.4 低潮高地及暗礁基础调查数据入库要求

5.4.1 低潮高地及暗礁成果展示要求

低潮高地及暗礁地名展示、地质沉积物展示和地形展示。

5.4.2 低潮高地及暗礁分析评价要求

低潮高地及暗礁水下地形冲淤变化分析、疑点疑区分析和低潮高地及暗礁利用情况统计分析。

5.4.3 数据库整合要求

通过全面整合低潮高地及暗礁数据资料，实现对低潮高地及暗礁基础调查数据及相关成果的可视化管理、统计和分析。需考虑与现有系统、在建系统、规划系统的对接和资源的共享交换，实现与海域动管系统、“数字海洋”等系统进行数据共享交换，为低潮高地及暗礁综合管理提供有效的数据和业务支撑。

6.结束语

基于上海市低潮高地及暗礁基础调查项目，长江口区域所包含的黄瓜五沙、顾园沙、下扁担沙、下扁担二沙、庙港沙、奚家港沙、北巷北沙、新浏河沙、瑞丰沙、瑞丰二沙、瑞丰三沙、鸡骨一礁、鸡骨二礁及牛皮礁为研究对象，对研究区域低潮高地及暗礁的地理位置、权属、形成及演变趋势、地形地貌特征等各方面进行了详尽调查；通过实地钻探获取岩芯的方式，对研究区域内的地基土构成与特征、水文地质条件、场地地震效应、不良地质条件及特殊性岩土等工程地质情况进行了详细调查，并进行了具体分析与评价。对研究区域内的地形地貌测绘平面及高程控制网的布设，控制网平差成果精度进行了分析；并简要介绍了地形地貌测绘方法、使用的仪器设备，通过眩晕图展示了长江口区域低潮高地及暗礁地形地貌概况。论述了测区平面及高程控制网的布设，并对控制网平差成果进行了精度分析；并简要介绍了地形地貌测绘方法、使用的仪器设备等。