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        引入似大地水準(zhǔn)面精化模型的山區(qū)水情監(jiān)測(cè)方法

        2016-09-08 02:15:48李和平
        測(cè)繪通報(bào) 2016年8期
        關(guān)鍵詞:精化水準(zhǔn)面水準(zhǔn)測(cè)量

        楊 坤,李和平

        (1. 貴州省測(cè)繪資料檔案館,貴州 貴陽(yáng) 550004; 2. 貴州省第一測(cè)繪院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

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        引入似大地水準(zhǔn)面精化模型的山區(qū)水情監(jiān)測(cè)方法

        楊坤1,李和平2

        (1. 貴州省測(cè)繪資料檔案館,貴州 貴陽(yáng) 550004; 2. 貴州省第一測(cè)繪院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

        基于山區(qū)水情監(jiān)測(cè)的內(nèi)在需求與山地開(kāi)展水準(zhǔn)測(cè)量困難的地域?qū)嶋H,討論了引入?yún)^(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測(cè)量方法代替等級(jí)水準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)方法的可行性,以貴州省內(nèi)分布均勻的15個(gè)CORS站點(diǎn)、20個(gè)C級(jí)點(diǎn)、11個(gè)水文站內(nèi)的三等水準(zhǔn)點(diǎn)作為研究基礎(chǔ),按照C級(jí)網(wǎng)精度要求布網(wǎng)觀測(cè),利用貴州省似大地水準(zhǔn)面精化模型確定了高程異常。研究結(jié)果表明,該方法在貴州山區(qū)均達(dá)到五等水準(zhǔn)測(cè)量精度,在模型擬合點(diǎn)較密的區(qū)域達(dá)到四等水準(zhǔn)精度。

        山區(qū)水情監(jiān)測(cè);似大地水準(zhǔn)面精化模型;水準(zhǔn)測(cè)量;GNSS靜態(tài)高程測(cè)量

        水情監(jiān)測(cè)是防洪減災(zāi)、抗汛預(yù)警所必需的關(guān)鍵工作保障,應(yīng)對(duì)重點(diǎn)水利工程(如水庫(kù)、中小河流、水文控制站、城市積水區(qū)域)采用儀器原位監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。其中高程是支撐水情監(jiān)測(cè)、水文計(jì)算、水文預(yù)報(bào)和洪泛區(qū)預(yù)警的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ),快速準(zhǔn)確地提供河流高程是水文監(jiān)測(cè)的重要前提。

        面對(duì)貴州省山區(qū)性河流滑坡泥石流頻發(fā),地形復(fù)雜、水平通視條件差、水資源分布不集中等地域?qū)嶋H,傳統(tǒng)的水情監(jiān)測(cè)方法由于工作周期較長(zhǎng)、投入人力物力較大等因素已難以滿(mǎn)足當(dāng)今水文工作準(zhǔn)確、高效的內(nèi)在需求,因此探求一種快速高效的山區(qū)水情監(jiān)測(cè)方法具有重要現(xiàn)實(shí)意義。隨著GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)的建立和完善,城市厘米級(jí)似大地水準(zhǔn)精化成果已被普遍接受和應(yīng)用,基于區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測(cè)量方法在科研和生產(chǎn)中逐步應(yīng)用[1-2],為解決山區(qū)水情監(jiān)測(cè)方法提供了新的契機(jī)。

        全國(guó)各省市相繼建立了省級(jí)似大地水準(zhǔn)精化模型[3],《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T73—2010)對(duì)GNSS靜態(tài)高程測(cè)量的技術(shù)要求、數(shù)據(jù)處理與檢驗(yàn)等作出了詳細(xì)規(guī)定;《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》(SL197—2013)明確了GNSS靜態(tài)高程測(cè)量方法對(duì)水利水電工程的等級(jí)水準(zhǔn)獲取的可用性。為驗(yàn)證GNSS靜態(tài)高程測(cè)量替代水準(zhǔn)測(cè)量在貴州山區(qū)的適用程度,本文首先對(duì)貴州省似大地水準(zhǔn)精化模型進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹;其次對(duì)基于區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測(cè)量精度進(jìn)行分析;最后利用實(shí)測(cè)的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證[4-5]。

        一、GNSS靜態(tài)高程代替山區(qū)等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的可行性

        1. 貴州省似大地水準(zhǔn)面精化成果

        貴州省似大地水準(zhǔn)面精化項(xiàng)目是國(guó)家測(cè)繪地理信息局繼浙、閩、贛區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化試點(diǎn),華北地區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化,華東華中區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化及川滇地區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化等項(xiàng)目后,開(kāi)展的第5期區(qū)域性似大地水準(zhǔn)面精化工作[6]。貴州省似大地水準(zhǔn)面精化采用3種地球重力場(chǎng)模型(WDM94、IGG05B、EGM2008),利用分區(qū)擬合糾正的方法[7-8],獲得了覆蓋貴州省的所有行政州(市)、縣(市、區(qū))區(qū)域總面積約17萬(wàn)km2,分辨率為2.5′×2.5′的似大地水準(zhǔn)面模型,總體高程精度達(dá)到4.2cm,針對(duì)山地地區(qū)提高了擬合點(diǎn)布設(shè)密度,精度達(dá)到3.6cm,優(yōu)于總體精度,為區(qū)域快速高效的GNSS高程測(cè)量方法奠定了基礎(chǔ)[9]。

        2. 水準(zhǔn)測(cè)量理論精度分析

        從水準(zhǔn)各精度指標(biāo)內(nèi)在聯(lián)系出發(fā),山區(qū)水準(zhǔn)測(cè)量精度會(huì)有失準(zhǔn)情況出現(xiàn)。以四等水準(zhǔn)測(cè)量為例,精度指標(biāo)主要有[10]:

        1) 每千米水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差不超過(guò)5mm,每千米水準(zhǔn)測(cè)量的全中誤差不超過(guò)10mm。

        3) 偶然中誤差(觀測(cè)精度)為

        (1)

        式中,N為測(cè)段數(shù);R為測(cè)段長(zhǎng)度;Δ為往返高差不符值。

        根據(jù)誤差傳播定律,一測(cè)段的“往返不符值中誤差”為

        (2)

        取N=1、R=1km,可得到每千米“往返不符值中誤差”,將四等水準(zhǔn)偶然中誤差5mm代入該式可得四等水準(zhǔn)每千米“往返不符值中誤差”,也就是全中誤差為10mm,每千米限差取2倍中誤差即為20mm,山區(qū)應(yīng)對(duì)該限差放寬至25mm。

        山區(qū)地形高差較大,且路徑曲折通視條件不好,山區(qū)的視距通常只能達(dá)到10~20m,甚至更小,必然造成反復(fù)設(shè)站。按15m視距計(jì)算,1km就要設(shè)近60站,往返就有120站,據(jù)此計(jì)算的閉合差限差為6.6cm,也就是說(shuō)閉合差小于6.6cm就認(rèn)為滿(mǎn)足四等水準(zhǔn)測(cè)量精度,但是據(jù)此計(jì)算得到的偶然中誤差為13.2mm,全中誤差為26.4mm,測(cè)量精度不能滿(mǎn)足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求,也達(dá)不到五等水準(zhǔn)測(cè)量精度。如果依舊采用傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測(cè)量方式,為了滿(mǎn)足水情監(jiān)測(cè)的精度要求就只能提高水準(zhǔn)觀測(cè)的等級(jí)。

        3. GNSS靜態(tài)高程理論精度分析

        《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T73—2010)對(duì)衛(wèi)星定位高程測(cè)量的代替等級(jí)水準(zhǔn)的模型精度要求、高程中誤差、檢測(cè)較差所作規(guī)定見(jiàn)表1。

        表1 cm

        考慮到模型內(nèi)符合中誤差和模型高程中誤差的區(qū)別,以及模型選擇的差異,模型內(nèi)符合精度按模型高程中誤差的2/3計(jì)算。山區(qū)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在平原的基礎(chǔ)上放寬1.5倍執(zhí)行。

        根據(jù)誤差傳播定律,基于似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測(cè)量中誤差可表示為

        (3)

        式中,mh為GNSS靜態(tài)高程測(cè)量中誤差,單位為cm;mH為GNSS靜態(tài)大地高測(cè)量中誤差,單位為cm;mm為區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化中誤差,單位為cm;mi為接收機(jī)儀器高測(cè)量中誤差,單位為cm。

        (4)

        式中,a為固定誤差;b為比例誤差;L為基線(xiàn)平均長(zhǎng)度,單位為km。按接收機(jī)普遍類(lèi)型,a取5mm,b取2×10-6,按C級(jí)網(wǎng)設(shè)計(jì),L取20km,將以上參數(shù)代入式(4),可計(jì)算出mH;再將mH代入式(3)可得mh為3.85cm,按照放寬1.5倍后作為山區(qū)精度的要求,可認(rèn)為基于似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程測(cè)量理論上可取代四、五等水準(zhǔn)。

        二、GNSS靜態(tài)高程測(cè)量工程實(shí)踐

        以貴州省內(nèi)分布均勻的15個(gè)CORS站點(diǎn)、20個(gè)C級(jí)點(diǎn)、10個(gè)水文站內(nèi)的三等水準(zhǔn)點(diǎn)作為研究基礎(chǔ),進(jìn)行GNSS靜態(tài)高程測(cè)量代替等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的可行性實(shí)踐研究。

        采用南方測(cè)繪S86測(cè)地型接收機(jī)(5mm+1×10-6D),按照C級(jí)網(wǎng)精度要求布網(wǎng)觀測(cè),利用貴州省似大地水準(zhǔn)面精化模型計(jì)算出高程異常;坐標(biāo)基準(zhǔn)為CGCS2000,高程基準(zhǔn)為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

        根據(jù)參與模型計(jì)算的觀測(cè)點(diǎn)高程殘差vi按以下公式計(jì)算內(nèi)符合精度

        (5)

        (6)

        根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果(見(jiàn)表2),將C級(jí)點(diǎn)高程殘差代入式(5),求得模型總體內(nèi)符合精度為3.99cm,山地地區(qū)內(nèi)符合精度為0.20cm,與提高貴州省似大地水準(zhǔn)面精化模型山區(qū)擬合點(diǎn)密度的設(shè)計(jì)相符;將水文站水準(zhǔn)點(diǎn)檢測(cè)互差代入式(6),求得總體高程中誤差為6.55cm,滿(mǎn)足五等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求,能快速反映山地區(qū)域河道上下游落差,狹窄河道水情驟變等情況。

        成果精度主要受到地形起伏、精化模型擬合點(diǎn)密度等因素的影響,在高海拔但精化模型擬合點(diǎn)密度較高的區(qū)域,其中5個(gè)水文站XWSW、ELSW、MWSW、MXBM、XYSW能夠達(dá)到四等水準(zhǔn)精度水平。

        表2 計(jì)算結(jié)果檢測(cè)檢查互查表 m

        三、結(jié)束語(yǔ)

        本文對(duì)基于貴州省似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程應(yīng)用進(jìn)行了研究,分析推導(dǎo)了采用GNSS靜態(tài)高程代替山區(qū)等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)。理論推導(dǎo)和實(shí)踐應(yīng)用表明,基于似大地水準(zhǔn)面精化模型的GNSS靜態(tài)高程可代替山區(qū)五等水準(zhǔn)測(cè)量,在擬合點(diǎn)點(diǎn)位密度較高的山區(qū)能夠達(dá)到四等水準(zhǔn)精度水平。

        引入似大地水準(zhǔn)面精化模型的山區(qū)水情監(jiān)測(cè)有效克服了地形復(fù)雜、高差大、水平通視條件差等地域性測(cè)量困難,可為山區(qū)水情監(jiān)測(cè)、防洪減災(zāi)與洪泛區(qū)預(yù)警高效快速地提供相應(yīng)精度等級(jí)的數(shù)據(jù)支持,在水文系統(tǒng)周期性水準(zhǔn)點(diǎn)校核和水文普查工作中,改變過(guò)去概略定位的工作方式,逐步將各等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)與區(qū)域CORS網(wǎng)聯(lián)測(cè),在貴州省似大地水準(zhǔn)面精化模型的基礎(chǔ)上增加水準(zhǔn)點(diǎn)在區(qū)域擬合中的作用,這對(duì)貴州山地水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)與完善將有著較為深遠(yuǎn)的實(shí)際應(yīng)用意義。

        [1]覃鋒.青藏高原中部似大地水準(zhǔn)面精化的應(yīng)用研究[J]. 測(cè)繪與空間地理信息,2006,37(1):187-189.

        [2]趙建虎,王真祥,王勝平,等.大區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型的建立方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2008,32(1):68-71.

        [3]陳俊勇,魏子卿,胡建國(guó),等.邁入新千年的大地測(cè)量學(xué)——第22屆IUGG大會(huì)有關(guān)大地測(cè)量部分的技術(shù)總結(jié)[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2000,29(2):95-101.

        [4]張正祿,鄧勇,羅長(zhǎng)林,等.利用GPS精化區(qū)域似大地水準(zhǔn)面[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2006,26(4):14-17.

        [5]陳為民,張旭東,符華年,等.GPS高程測(cè)量代替等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的應(yīng)用研究 [J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2013,38(7):828-831.

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        [8]國(guó)家測(cè)繪局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心.貴州區(qū)域大地水準(zhǔn)面精化項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理報(bào)告[R].西安:[s.n.], 2010.

        [9]國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范:GB/T12898—91[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

        Hydrological Monitoring in Mountain Incorporating RegionalQuasi-geoidRefinedModel

        YANG Kun,LI Heping

        2016-04-08;

        2016-06-22

        2012年貴州省重點(diǎn)項(xiàng)目

        楊坤(1974—),男,高級(jí)工程師,主要從事GIS信息產(chǎn)業(yè)、遙感、大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理、水準(zhǔn)測(cè)量、數(shù)字城市建設(shè)、檔案管理等工作。E-mail:413135739@qq.com

        P258

        B

        0494-0911(2016)08-0089-03

        引文格式:楊坤,李和平.引入似大地水準(zhǔn)面精化模型的山區(qū)水情監(jiān)測(cè)方法[J].測(cè)繪通報(bào),2016(8):89-91.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0264.

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