GNSS测绘技术在跨河水准中的运用

2024-03-16张林

中华建设 2024年3期

张林

GNSS 测绘具有全天候、无须通视、易操作、快捷高效的特点，广泛用于大地测量、工程测量、航空测量及水下测量等领域。本文主要讲述GNSS 跨河水准的基本原理; 结合长江安徽段跨河水准测量实例,介绍GNSS 跨河水准测量的施测步骤、数据处理、精度统计和误差分析等内容。为同类测绘工作提供经验。

一、概述

传统的跨河水准测量方法有：光学测微法、倾斜螺旋法、经纬仪倾角法、测距三角高程法。这些方法测量距离短，跨河点必须通视且高差不易过大，天气影响大，操作难，作业效率低。GNSS 跨河水准测量是利用GNSS 测量两岸观测点的大地高高差，水准仪分别测量河流两岸观测点的正常高高差，求解跨河点间的高程异常变化率，计算得到跨河点的正常高高差。

二、GNSS 跨河水准基本原理

1.高程异常变化率

大地高H 是地面点沿法线到椭球面的距离；正高H正是地面点沿实际重力线到大地水准面的距离；正常高H正常是地面点沿正常重力线到似大地水准面的距离。三者关系如下：

式中：N—大地水准面差距；

ζ—高程异常；

高程异常变化率指某方向单位距离高程异常变化量，地面上A、B 两点间的高程异常变化率表示为：

式中：SAB—AB 点间平距，单位为千米（km）；

∆ζAB—AB 点间高程异常差值,单位为米（m）；

ɑAB—AB 方向高程异常差变化率，单位为米每千米(m/km)；

GNSS 测绘技术可以轻松获取地面点相对于参考椭球的三维坐标（经度B，纬度L，大地高H），故地面上A、B 两点的大地高之差∆HAB易求得。正常高之差和水准测量高差很接近，地面上A、B 两点的正常高差可表示为测量高差加改正数的形式：

式中：—A、B 两点水准测量高差；

—正常水准面不平行改正数；

—实际重力场和正常重力场不一致改正数；

本文介绍的跨河水准场地位于安徽省安庆市，测量区域为东经116.3 ～117.3 度，北纬29.8 ～30.6 度。依据正常水准面不平行改正计算公式=-AHi(∆φi)，因测量区域测点海拔低，纬度变化小，经计算此项改正值几乎为零。参考武汉大学《地球重力学》中的“中国布格重力异常图”，该区域重力异常值为（0 ～25）×10-5m/s2，依据重力异常引起的高差改正公式 =(g-γ)m×h/γm，可得该区域重力异常引起的各测段高差改正值均小于0.06mm。故本文不考虑重力异常高差改正和正常水准面不平行改正，采用的正常高高差即为水准测量的高差。

2.线性拟合模型及验证

高程异常可以采用多种数学模型拟合方式，例如，线性拟合模型、平面拟合模型、二次曲线拟合模型、二次曲面拟合模型和多面函数拟合等。本文所述的跨河区域属于长江中下游平原地带，地势变化平坦，大地水准面变化小，因此采用线性拟合模型。

跨河观测点布设上图1 所示，其中，B、C 为跨河点，A1、A2、D1、D2 为非跨河点；非跨河点位于跨河点连线的延长线上或在其两侧且大致对称，且非跨河点距同岸跨河点距离大致与跨河距离相等。

图1 跨河观测点位布设示意图

本文收集了长江安徽段同马大堤沿线的国家四等水准点成果，使用中海达iRTK5 机型，利用安徽CORS网络定位技术，获取了这些水准点的大地高（参考椭球CGCS2000）。

由图2 可知，长江安徽段同马大堤沿线高程异常变化率基本呈线性变化，但是不同方向的高程异常变化率差异较大。

图2 高程异常变化图

三、GNSS 跨河水准测量案例

1.跨河位置

跨江位置应避开土质松软，强磁场，人员、车辆过往频繁的地段，应选在地势平坦开阔、交通方便、观测条件良好、点位稳固且易于保护的地方。按照图2跨河点网布设形状，参考天地图影像，经过实地勘踏，选定跨江位置见下图3。

图3 跨河水准断面位置示意图

2.同岸水准观测

同岸的观测点高差采用LEICA LS15 数字水准仪按照国家三等水准测量规范进行，其线路为闭合环，例如：左岸线路B-A1-A2-B，右岸线路C-D1-D2-C。

两岸的沿江线路(左岸：六合圩-安庆市-马窝；右岸：吉阳矶-大渡口-前江）采用LEICA LS15 数字水准仪按照国家三等水准测量规范进行，此线路成果不参与跨河水准计算，仅作为跨河水准成果的校核。对于新埋设的观测点，应在GNSS 观测前、后与稳固点连测，以检测其点位的沉降情况，检测线路也应满足国家三等水准测量规范要求。