水利工程河道地形测量技术探析

沈 杰

(青浦区水务局， 上海 201799)

1 概述

21世纪以来我国经济迅猛发展，城市面貌日新月异，人民生活水平得到了显著提高，对生活环境的质量亦提出了较高的要求。河道治理建设是现代生态城市建设中的一个重要环节，目的是保护水生态环境，作为水利基础性建设工程，河道整治应从治理中小河道着手，完善防洪、排涝、灌溉等农田设施系统，大力开展河道生态整治工作，构建良好循环功能的水生态系统。

河道整治工程实施前期应进行勘察、物探及测绘等工作，为设计提供基础资料，测绘成果的准确性与可靠性决定设计成果的准确性与可靠性。河道测绘内容一般包含控制测量、陆域地形测量及水域地形测量，控制测量包括平面控制及高程控制，平面控制通常采用GNSS静态定位测量及GNSS实时动态测量[1- 3]两种方法，前者适用于平面定位精度较高的项目，对平面定位精度要求不高的镇级及村级河道整治项目可采用后者；高程控制宜采用几何水准测量，精度要求不高的区域可采用似大地水准面精化高程[4- 6]，但需要对测区附近至少3个已有等级水准点进行验证。陆域地形测量通常采用全站仪极坐标法测定平面位置，电磁波测距三角高程法测定测点高程；对周边高层建筑少、电磁干扰少的测区可采用GNSS实时动态测量法直接测定测点三维坐标，前提条件是求取区域空间转换7参数；近年来无人机倾斜摄影测量技术发展迅速，在大比例地形测图项目中应用案例越来越多。小型河道水下地形可采用断面索法、极坐标法和GNSS实时动态测量法进行平面定位，采用采用测深杆、测深锤、模拟测深仪进行水深测量；中大型河道宜采用GNSS接收机+单波束测深仪或多波束测深仪无验潮模式[7- 8]进行作业，省去了设验潮站分带内插的方式获得不同时段水位的步骤，通过纵横断面交叉点水深测量差计算水深测量中误差。

2 控制测量

2.1 平面控制测量

控制点点位选择应满足几个要求：①应便于安置接收设备和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过15°。②远离大功率无线电发射源(如电视台、电台、微波站等)，其距离不小于200m；远离高压输电线和微波无线电信号传送通道，其距离不应小于50m。③附近不应有强烈反射卫星信号的物件(如大型建筑物等)。④交通方便，并有利于其它测量手段扩展和联测。⑤地面基础稳定，易于标识的长期保存。⑥充分利用符合要求的已有控制点。⑦选站时应尽可能使测站附近的局部环境(地形、地貌、植被)与周围的大环境保持一致，以减小气象元素的代表性误差。

2.1.1GNSS静态相对定位测量

河道地形控制测量采用GNSS静态相对定位测量时控制网等级宜选择E级。控制网主要技术指标包括平均边长、固定误差、比例误差系数、约束平差后最弱边相对中误差等，最弱边相对中误差不宜大于1/20000。作业基本技术要求包括卫星高度截至角、同时观测有效卫星数、有效观测卫星总数、观测时段数、时段长度、采样间隔等，其中观测时段数指二次设站点数不少于GPS网总点数的百分比。

静态观测数据后处理宜采用经过评定的商用软件，解算过程包括基线解算、无约束网平差、约束网平差等工作，基线解算后独立闭合环或附合线路坐标闭合差和各坐标分量闭合差、GNSS网无约束平差后的基线分量改正数绝对值、GNSS网约束平差基线分量改正数与粗差剔除后的无约束平差结构的同一基线相应改正数较差的绝对值均应满足规范要求。

2.1.2GNSS实时动态定位测量

GNSS实时动态定位测量分为网络RTK与单基站RTK两种。网络RTK进行实时动态定位测量时用户仅需流动站进行作业，流动站获取虚拟基准站发送的差分数据后获取高精度的平面坐标，测区内的点位坐标精度基本相同；单基站RTK进行实时动态定位测量时用户需要两台GNSS接收机，一台为基准站，一台为流动站，流动站坐标测量精度与流动站至基准站的距离相关，两者距离较近时各类误差同向，差分后的精度较高，距离较远时各类误差不同向，点位精度较低，一般要求流动站至基准站的距离控制在5km以内。

GNSS实时动态定位测量应在持续显示固定解后开始观测，每点均应独立初始化二次，每次采集二组，每组采集的时间不宜少于10″，四组数据的平面点位较差应不大于2cm，控制成果可取其中任一组数据，或取4组数据的平均值。

2.2 高程控制测量

河道高程控制水准测量观测等级不宜低于四等，软土地区应采用附合水准线路，地质条件较好的地区可采用闭合水准线路。软土地区地面沉降量较大，同时城市等级水准点周边的市政建设也会影响其稳定性，为确保已有水准点成果的可靠性，水准路线必须附合在两个已有水准点上。当采用1个已有水准点布设闭合水准环时，必须对该控制点进行稳定性检验。

目前国内大部分城市均建成了似大地水准面精化模型，可以将GNSS静态相对定位测量或网络实时动态定位获取的大地高直接转换为正常高，其高程精度一般能满足河道高程控制测量要求。为确保成果的准确性及可靠性，通常在测区内采集3个以上等级水准点的大地高，将精化后的高程与已知高程进行比较，如较差不大于5cm，则说明区域似大地准面精化水平能满足控制测量精度要求。

3 空间七参数转换模型

目前不同空间直角坐标系转换模型主要有布尔莎转换模型、莫洛金斯基转换模型及武测模型，三者在转换形式上略有差异，但转换成果精度基本相当，均有3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数，统称为七参数转换模型。

求解七参数需要3个及以上重合点[9- 10]，测量重合点的两对三维坐标，对一般地形测量项目，通常一对三维坐标为某种地球框架下的大地纬度B、大地经度L及大地高H，另一对三维坐标为地方平面坐标及高程。地方平面坐标可采用GNSS静态定位测量或城市CORS定位技术获取，地方高程可通过几何水准测量联测城市等级水准点获取。重合点的大地坐标可通过单基站RTK或网络RTK获取，单基站采集重合点大地坐标时宜控制流动站与基准站的距离在3km范围内，现阶段网络RTK可选择性多，城市CORS网、千寻位置、华测等均建立了基于特定椭球框架及参考历元的定位网络。若转换后的个别重合点残差超限，应重新采集其两对坐标，或剔除该重合点，补充新的重合点，但要确保重合点均匀分布且覆盖整个测区。

空间坐标转换存在3个平移参数和3个旋转参数，鉴于两个坐标系尺度存在差异，还存在1个尺度变化参数K。两种基准下的空间直角坐标系如图1所示。相应的坐标转换公式如下：

(1)

式中，ΔX0、ΔY0、ΔZ0—3个平移参数；εX、εY、εZ—3个旋转参数；K—尺度变化参数。

图1 布尔莎七参数转换模型

4 陆域地形测量

河道整治工程陆域测绘范围一般为驳岸至河口线外10～20m，测量内容包括河道两岸建筑物、驳岸、码头、桥梁、涵洞、围墙、管线设施、防汛通道、绿化、雨污排放口等，测量地物位置及尺寸，同时测量地形特征点高程；陆域与水域交接处应进行接边测量，确保接边精度。

陆域测量常用方法为全站仪极坐标法+电磁波测距三角高程法，同时测定地物的地方坐标及高程，该方法对环境要求低，精度高，但至少需要两名技术人员，作业效率相对低。对周边高层建筑少、电磁干扰少的测区可采用GNSS实时动态测量法直接测定地形地物点三维坐标，该方法实施前期应求取区域空间转换七参数，测量工作实施前验证2个及以上未参与解算的控制点三维坐标，平面坐标较差宜控制在2cm以内，高程较差宜控制在3cm以内，遇GNSS信号不良未能获取固定解时应采用全站仪测量底细地物点的三维坐标。

近年来无人机倾斜摄影测量技术蓬勃发展，在1∶1000、1∶500等大比例尺测图项目中的应用日益增多，在测区面积大、植被覆盖少、技术人员难以到达的区域测量优势明显，具有作业效率高、劳动强度小、数据采集直观、全面、精度高、干扰因素少等优点。一般河道整治工程呈带状分布，项目线路长，传统的人工测量耗时耗力，作业效率低，部分测区难以进入实施测量工作，无人机通过倾斜摄影测量技术弥补了这一缺陷，对完成测区地形的全面测绘有重要意义，外业工作效率大大提高。倾斜摄影测量技术目前还存在部分技术缺陷：基于荷载限制及飞行安全考虑，电池续航能力成为倾斜摄影技术推广的技术壁垒；对地物地貌表面的模拟，植被覆盖、房屋遮挡等一些拍摄死角或关联点不足的地方，全自动建模时容易产生模型扭曲变形；地形要素提取无法全自动，需要辅助人工识别，易出现误判和漏判。因此河道整治工程测绘采用无人机倾斜测量技术前需全面踏勘测区，制定相应的测量方案，无人机倾斜摄影测量技术流程如图2所示。

图2 无人机倾斜摄影测量技术流程图

5 水域地形测量

河道整治工程水域地形测量采用的方法应综合考虑河道的宽度、水深及流速，一般对于大深河道采用GNSS实时动态测量+测深仪无验潮作业模式；对窄浅河道采用断面索+测深杆作业模式，亦可采用GNSS实施动态测量水深点的三维坐标，受流速及人为作业不可避免的误差影响，后两者所测水深点高程误差通常较大。3种方法中GNSS实时动态测量与回声测深仪进行无验潮水深测量的精度最高，其精度受GNSS实时动态测量及回声测深仪水深测量两方面影响。

GNSS实时动态测量分为网络RTK测量及单基站RTK测量，为获取高精度高程成果，两者均要求解区域七参数，各重合点平面转换残差宜控制在2cm内，高程转换残差宜控制在2.5cm内。网络RTK测量时流动站接收到网络虚拟至流动站附近的参考站发送的差分数据后获得测点高精度三维坐标，测区内各测点三维坐标成果均匀，该技术目前已被广泛应用，但需付费使用；单基站RTK流动站接受到基准站发送的电离层延迟、对流层延迟、卫星钟钟差、卫星星历误差等差分数据后获取测点高精度三维坐标，数据通信链路由电台提供，电台通常架设在高点，确保通信顺畅，流动站测量精度与其至基准站的距离相关，距离增加精度降低，两者距离较近时流动站与基准站的各类误差相当，差分后可获得较高精度的测点三维坐标。

水深测量前应在回声测深仪中进行投影参数设置、天线高设置、吃水设置、声速设置、GNSS接收机与换能器中心偏差改正设置等，其中投影设置的目的是直接获取水深点的坐标及高程、水面高程，结合实际水面高程判断水深测量成果的准确性与可靠性。GNSS天线高量取后应立即输入测深仪，由于测深仪通常没有天线高固定差改正功能，且不同类型的GNSS接收机改正值亦不相同，宜通过正确的水面高程及量取的天线高计算正确的天线高，直接输入量取的天线高通常较正确的天线高低8～12cm，对水深点高程成果有显著影响。换能器的吃水设置既要考虑水深测量全过程的安全，同时兼顾边坡测量时浅水区域覆盖，河道测量时水深通常控制在30～50cm，吃水过浅会引起船舶转弯过程中产生假水深及部分数据丢失。河道内声速值的获取一般通过比对板或塔尺量取的实际水深计算，通常选择地势平坦区域，计算过程由导航软件完成，由于河道内水深一般不超过5m，声速值误差引起的水深误差非主要引起因子；GNSS接收机与换能器中心偏差改正在采用大型船舶测量时进行设置，河道测量时较少应用，主要对水深点平面位置进行改正。测量船在水深测量过程中应匀速航行，速度宜控制在6～8节，船速过快引起船体沿航向倾斜，测量位置不在换能器正下方，所测水深数据偏大。

6 成果质量检查

外业测量及内业数据处理完成后应立即实施测绘成果质量检查工作，分为过程检查及最终检查，其中过程检查由作业部门实施，最终检查由公司质检部实施。过程检查采用全数检查，最终检查一般采用全数检查，涉及野外检查项时采用抽样检查，野外检查项一般包括控制测量成果检查、碎步点测量成果检查，检查比例按国家及行业标准执行。

利用GNSS实时动态定位方法获取的平面控制成果可采用相同的方法进行检核，检核工作宜在临近收测时或隔日进行，检核坐标与成果坐标较差应小于30mm。采用全站仪进行边长、角度及坐标进行检核时，测距中误差、边长较差相对误差、测角中误差、角度较差限差及坐标较差中误差应满足相关规范要求。陆域地形碎步点检核测量方法宜与碎步测量采用的技术方法一致，比例一般不少于10%，检核三维坐标较差应满足相关规范要求。水下地形水深成果通常采用纵横断面交叉点水深较差来检核观测质量，测深检查线应垂直于主测深线，单波束检查线长度应大于主测深线总长度的5%，纵横断面有效检核点与测点间距不宜大于图上1mm。检核工作完成后应统计成果中误差，同精度检测时计算公式如下：

(2)

式中，M—成果中误差；n—检测点(边)总数；Δi—检测较差。

7 工程实例

上海青浦区某河道整治项目涉及练塘及金泽两个镇级行政区，其中练塘镇包含7个村庄，47条河道，河道中心长度共计44761.02m；金泽镇包含南新村和陈东村两个行政村，共计27条河道，其中南新村11条河道，陈东村16条河道，河道中心长度31532.53m。项目主要测量内容包括1∶500带状地形图修测，同时对河道河口线两侧各6～10m范围地形图进行修测；完成河道横断面测量，沿河道规划中心线每50m测一个断面，水上按地形特征点测量，水下按1.0～2.0m间距测量。

本项目控制点平面坐标采用GNSS实时动态测量法采集，高程采用四等几何水准测量实施，其中金泽镇采集控制点45点，检核12点，检核比例约27%，点位检核较差最大为18mm；练塘镇采集控制点71点，检核18点，检核比例约25%，点位检核较差最大为16mm，控制点检核比例及较差均满足规范要求。控制点两套坐标采集完成后分别求解了金泽镇级练塘镇两个区域的七参数，平面转换残差均小于10mm，高程转换转换残差均小于15mm，转换成果较为理想。

本项目线路长，部分河道两侧植被茂盛，委托方要求的工期紧。根据本项目的特点，陆域地形测量采用了3种作业模式：对地形开阔、植被覆盖较少区域采用无人机倾斜摄影测量技术，对有一定植被覆盖但网络信号良好测区采用GNSS实时动态模式直接测定地形地物点的三维坐标，对植被覆盖明显且网络信号不良区域采用全站仪极坐标+电磁波测距三角高程法测定地形地物点的三维坐标；水域地形测量采用了两种作业模式：对于大深河道采用GNSS实时动态模式与回声测深仪联合作业无验潮模式，对窄浅河道采用断面索+测深杆人工作业模式。

项目内业处理完成后，对采用无人机倾斜测量技术获取的地形高程成果进行了检核，人工观测了156个特征检核点，与DLG线划图对应特征点高程最大较差9.8cm，高程中误差±3.6cm，满足1∶500地形图技术要求，如图3所示。

图3 无人机倾斜摄影测量DLG成果

8 结语

(1)河道整治工程具有线路长、地形复杂、测量工作量大等特点，地形测量前期应布设足够数量的控制点，点位尽量均匀分布于测区，为求取准确的区域空间转换七参数，高程控制应采用几何水准测量法。获得区域空间转换七参数后，对测区周边及中部未参与解算的控制点三维坐标进行检核，如检核成果与既有成果较差偏大，应剔除残差较大的控制点，同时添加可靠的控制点重新解算空间转换参数，直至测区检核点与既有成果的平面较差不大于2cm，高程较差不大于2.5cm。

(2)鉴于河道地形的复杂性与特殊性，陆域及水域地形测量方法应有针对性，须兼顾成果精度及作业效率，外业测量工作完成后应立即选取一定比例的地形特征点重复观测，根据检核成果与既有成果的较差进行各类技术手段的测量中误差，有效评价作业质量。

(3)无人机倾斜摄影测量技术作为近年来新兴的地形测量方法，作业效率高，成果表达的内容丰富，在地形开阔区域宜大力推广。1∶500大比例测图项目DLG线划图成果生产后应人工采集特征点的三维坐标，进行坐标及高程较差计算，统计测量中误差，尤其是高程中误差，是无人机倾斜摄影测量测图技术提高的方向所在。