，

(陜西省地下水管理監(jiān)測(cè)局，陜西 西安 710003)

開(kāi)展地下水監(jiān)測(cè)站高程引測(cè)及坐標(biāo)測(cè)量工作，其目的是為了將所監(jiān)測(cè)到的地下水動(dòng)態(tài)埋深資料轉(zhuǎn)化成地下水水位資料，繪制地下水水位等值線圖等。進(jìn)而分析地下水資源的時(shí)空變化規(guī)律，為地下水資源的合理開(kāi)發(fā)和科學(xué)利用提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，地下水監(jiān)測(cè)站位置坐標(biāo)測(cè)量，可以精確反映監(jiān)測(cè)站的位置和分布情況，為后期地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的規(guī)劃布設(shè)及優(yōu)化調(diào)整提供準(zhǔn)確詳實(shí)的基礎(chǔ)性依據(jù)。根據(jù)《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程初步設(shè)計(jì)概算的批復(fù)》(發(fā)改投資[2015]250號(hào))和水利部、國(guó)土資源部關(guān)于國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告的批復(fù)(水總[2015]250號(hào))，陜西省核定完成558處監(jiān)測(cè)井建設(shè)任務(wù)，地下水監(jiān)測(cè)站的高程引測(cè)及坐標(biāo)測(cè)量工作是陜西省項(xiàng)目建設(shè)的一部分。站點(diǎn)分布為：關(guān)中片區(qū)383處，陜南片區(qū)67處，陜北片區(qū)108處，全省合計(jì)558處，詳見(jiàn)表1。

表1 陜西省地下水監(jiān)測(cè)站高程引測(cè)及坐標(biāo)測(cè)量數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

1 相關(guān)概念

校核水準(zhǔn)點(diǎn)：是指埋設(shè)在每個(gè)地下水監(jiān)測(cè)站附近，用于監(jiān)測(cè)站高程及坐標(biāo)接測(cè)、復(fù)測(cè)的固定水準(zhǔn)點(diǎn)。

附近地面：監(jiān)測(cè)井口附近，用于計(jì)算地下水埋深的自然地坪。

井口保護(hù)筒固定點(diǎn)(高程點(diǎn))：是指固定于井口保護(hù)筒內(nèi)側(cè)，既有利于監(jiān)測(cè)工作又不易脫落的永久性標(biāo)志。

2 測(cè)量方案選取

縱觀陜西省監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布特點(diǎn)，南至陜南秦巴山地漢中、商丹盆地，北至陜北黃土高原及北部風(fēng)沙灘區(qū)，跨省內(nèi)多個(gè)地貌及水文地質(zhì)單元，甚為分散。按照《地下水監(jiān)測(cè)工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 51040-2014)的規(guī)定：基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程，應(yīng)從不低于國(guó)家三等水準(zhǔn)點(diǎn)按四等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)接測(cè)，引測(cè)的國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)，在復(fù)測(cè)或校測(cè)時(shí)不應(yīng)更換；校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程，應(yīng)從不低于國(guó)家三等水準(zhǔn)點(diǎn)或基本水準(zhǔn)點(diǎn)按五等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)接測(cè)；監(jiān)測(cè)站井口固定點(diǎn)高程和監(jiān)測(cè)站附件地面高程，可從基本水準(zhǔn)點(diǎn)或校核水準(zhǔn)點(diǎn)按五等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)接測(cè)?？紤]到陜西省現(xiàn)狀地下水監(jiān)測(cè)站分布廣、單站距離遠(yuǎn)，引測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)、通視性條件差等因素不適合常規(guī)人工水準(zhǔn)測(cè)量，并且該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適用于通視性條件差的站點(diǎn)高程引測(cè)，直接影響測(cè)量工期。經(jīng)過(guò)多個(gè)測(cè)量方案比選后，決定采用GPS靜態(tài)定位測(cè)量與水準(zhǔn)測(cè)量相結(jié)合的方法完成?？上韧ㄟ^(guò)建立E級(jí)GPS測(cè)量控制網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)定位，并同步已知等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行GPS高程擬合聯(lián)測(cè)，獲取校核水準(zhǔn)點(diǎn)的高程及坐標(biāo)值，再用水準(zhǔn)測(cè)量的方法完成附近地面高程和井口保護(hù)筒固定點(diǎn)高程的測(cè)量。GPS擬合高程計(jì)算精度可以達(dá)到地下水監(jiān)測(cè)工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 51040-2014)中五等水準(zhǔn)及以上精度要求。

3 測(cè)量方案實(shí)施

3.1 資料收集

根據(jù)任務(wù)需要，并充分考慮測(cè)區(qū)范圍及精度控制因素，收集測(cè)區(qū)范圍內(nèi)1980西安坐標(biāo)系GPS控制點(diǎn)102個(gè)，1985國(guó)家高程基本水準(zhǔn)100個(gè)，詳見(jiàn)表2。

3.2 GPS組網(wǎng)及觀測(cè)

測(cè)量環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是組網(wǎng)，主要考慮已知水準(zhǔn)點(diǎn)和被測(cè)GPS點(diǎn)的關(guān)系，以期得到最優(yōu)布測(cè)方案。綜合精度要求、衛(wèi)星狀況、接收機(jī)類型和數(shù)量、測(cè)區(qū)已有資料、測(cè)區(qū)地形和交通狀況及作業(yè)效率，直接以市級(jí)行政區(qū)域劃分GPS聯(lián)測(cè)網(wǎng)，分別組成十個(gè)GPS區(qū)域聯(lián)測(cè)網(wǎng)，同時(shí)為了有效控制測(cè)量誤差，以半徑約50公里區(qū)域?yàn)閱卧M(jìn)行GPS聯(lián)測(cè)，在每個(gè)GPS聯(lián)測(cè)網(wǎng)范圍邊上最少選擇3個(gè)(每個(gè)時(shí)段把校核水準(zhǔn)點(diǎn)包含在里面)陜西省C級(jí)以上等級(jí)的 GPS點(diǎn)，觀測(cè)時(shí)省級(jí)GPS點(diǎn)全天連續(xù)觀測(cè)，范圍內(nèi)使用8臺(tái)(47個(gè)時(shí)段用10臺(tái))GPS接收機(jī)靜態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)組網(wǎng)按邊連接方式構(gòu)網(wǎng)GPS觀測(cè)前按星歷表的衛(wèi)星健康情況確定具體觀測(cè)計(jì)劃、選取GPS觀測(cè)最佳時(shí)段，根據(jù)不同的觀測(cè)要求對(duì)接收機(jī)的設(shè)置進(jìn)行全面檢查和預(yù)置。GPS觀測(cè)中必須滿足的條件有：GPS接收機(jī)類型采用雙頻接收機(jī)；有效衛(wèi)星顆數(shù)不少于4顆；靜態(tài)同步測(cè)量時(shí)間不少于45 min；靜態(tài)采樣間隔10～30 s；滾動(dòng)站與基站的距離10 km內(nèi)；對(duì)天通視良好，10°以上無(wú)成片障礙物；測(cè)量時(shí)無(wú)微波或無(wú)線電信號(hào)干擾，實(shí)際操作中GPS觀測(cè)各項(xiàng)技術(shù)要求，詳見(jiàn)表3。

表2 陜西省控制點(diǎn)收集表

表3 GPS觀測(cè)技術(shù)要求比對(duì)

3.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

GPS基本水準(zhǔn)點(diǎn)高程，直接引用國(guó)家Ⅲ等以上水準(zhǔn)點(diǎn)；校核水準(zhǔn)點(diǎn)高程，滿足GPS觀測(cè)要求的采用似大地水準(zhǔn)面計(jì)算理論中的“移去恢復(fù)法”，使用最新的EGM2008模型，以觀測(cè)區(qū)域?yàn)閱挝唬ㄟ^(guò)計(jì)算已知高程點(diǎn)的WGS84框架各瞬時(shí)歷元下高程異常，并查詢其EGM2008下大地水準(zhǔn)面差距，以計(jì)算高程異常和大地水準(zhǔn)面差距之差(殘差)，作為內(nèi)插基礎(chǔ)，以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)至各已知高程的距離平方倒數(shù)定權(quán)，內(nèi)插獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)殘差，然后同監(jiān)測(cè)點(diǎn)EGM2008模型下大地水準(zhǔn)面差距，恢復(fù)獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程異常值，帶入大地高，從而獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)85高程。實(shí)施過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)本次校核水準(zhǔn)點(diǎn)和井口固定點(diǎn)距離普遍不大于10 m，不利于四等水準(zhǔn)測(cè)量，校核水準(zhǔn)點(diǎn)不滿足GPS觀測(cè)要求，所以就近選取過(guò)渡點(diǎn)(滿足GPS觀測(cè))，利用水準(zhǔn)儀以四等水準(zhǔn)觀測(cè)要求從過(guò)渡點(diǎn)引測(cè)高程到校核水準(zhǔn)點(diǎn)。井口固定點(diǎn)和監(jiān)測(cè)站附近地面高程在測(cè)區(qū)GPS平網(wǎng)的基礎(chǔ)上計(jì)算出七參數(shù)，用RTK測(cè)量，個(gè)別點(diǎn)不滿足RTK測(cè)量的采用三角高程測(cè)量其高程。觀測(cè)組網(wǎng)按邊連接方式構(gòu)網(wǎng)。重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》中大于等于1.6倍的要求，詳見(jiàn)表4。

數(shù)據(jù)計(jì)算以同步觀測(cè)時(shí)段為單位，每個(gè)時(shí)段采用多基線模式解算。為了滿足后續(xù)平面和高程成果計(jì)算要求，每個(gè)分區(qū)都進(jìn)行了框架網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)兩次基線解算。進(jìn)行框架網(wǎng)解算時(shí)，納入IGS跟蹤站和區(qū)域框架點(diǎn)，采用長(zhǎng)基線解算策略，考慮天頂延遲、海潮模型，使用Saastamoinen對(duì)流層延遲模型PWL分段線性法處理等影響，進(jìn)行精密計(jì)算獲取高精度基線向量。進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)解算時(shí)，僅解算區(qū)域框架點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不考慮海潮模型、天頂延遲等影響，以提高運(yùn)算速度、減少干擾。計(jì)算結(jié)果如下：(1)重復(fù)基線：長(zhǎng)度差值比較,每部分第一行為參考基線及長(zhǎng)度差限差(mm)，后續(xù)為重復(fù)基線及其與參考基線的差值(mm)。檢測(cè)合格數(shù)16條，最大誤差15.547 2 mm 最小誤差0.163 mm；(2)同步基線文件：檢測(cè)合格數(shù)25條，相對(duì)誤差限制15.00 ppm，相對(duì)誤差= 2.49 ppm ；(3)異步環(huán)閉合差：檢測(cè)合格數(shù)483條，相對(duì)誤差限制22.50 ppm，相對(duì)誤差= 2.25 ppm

表4 GPS網(wǎng)觀測(cè)信息匯總表

注：觀測(cè)點(diǎn)數(shù)含已知點(diǎn)，不含重復(fù)觀測(cè)點(diǎn)數(shù)，GPS儀器交錯(cuò)使用。

表5 各區(qū)域平面精度匯總表 mm

3.4 平面精度統(tǒng)計(jì)

每個(gè)時(shí)段觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差nrms以小于0：4周為基本解算要求，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行異步環(huán)、重復(fù)基線較差等檢驗(yàn)。由于gamit軟件為多基線解，故而各時(shí)段同步環(huán)閉合差均為0。

網(wǎng)平差使用武漢大學(xué)研制CosaGPS5：21平差軟件，按區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。方法為：(1)三維網(wǎng)平差，通過(guò)對(duì)IGS跟蹤站進(jìn)行匹配檢驗(yàn)，以不超過(guò)10 mm的站為基準(zhǔn)，獲取各分區(qū)框架點(diǎn)的WGS84瞬時(shí)三維坐標(biāo)；(2)二維網(wǎng)平差，以區(qū)域框架點(diǎn)為約束，進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)計(jì)算。再以框架點(diǎn)的1980西安坐標(biāo)進(jìn)行約束，平差獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的西安1980坐標(biāo)。各區(qū)域網(wǎng)西安1980坐標(biāo)系下最終平面精度統(tǒng)計(jì)，詳見(jiàn)表5。

3.5 高程精度統(tǒng)計(jì)

由于測(cè)區(qū)已知點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分布不均勻和數(shù)量的局限，若采用常規(guī)擬合方法，不足以獲取準(zhǔn)確高程異常。為了解決這個(gè)問(wèn)題，借鑒似大地水準(zhǔn)面計(jì)算理論中的“移去恢復(fù)法”，采用最新的EGM2008模型，以觀測(cè)區(qū)域?yàn)閱挝?，通過(guò)計(jì)算已知高程點(diǎn)的WGS84框架各瞬時(shí)歷元下高程異常，并查詢其EGM2008下大地水準(zhǔn)面差距，以計(jì)算高程異常和大地水準(zhǔn)面差距之差(殘差)，作為內(nèi)插基礎(chǔ)，以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)至各已知高程的距離平方倒數(shù)定權(quán)，內(nèi)插獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)殘差，然后同監(jiān)測(cè)點(diǎn)EGM2008模型下大地水準(zhǔn)面差距，恢復(fù)獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程異常值，帶入大地高，從而獲取GPS點(diǎn)的85高程。本測(cè)量工作擬合高程模型分別進(jìn)行了模型內(nèi)、外符合允許高程中誤差計(jì)算，其模型內(nèi)高程中誤差為26 mm,模型外高程中誤差為43 mm。計(jì)算結(jié)果符合《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》(SL197-2013)有關(guān)內(nèi)容五等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求，模型內(nèi)符合允許中誤差五等為±30 mm,對(duì)于模型外符合允許中誤差五等為±50 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程(水利部分)陜西省地下水監(jiān)測(cè)站高程引測(cè)及坐標(biāo)測(cè)量工作從實(shí)施至結(jié)束僅僅用時(shí)40多天，GPS測(cè)量技術(shù)的使用，大大縮短了項(xiàng)目工期，節(jié)約了大量的人力、物力資源。只要選擇適合項(xiàng)目特點(diǎn)的GPS測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行科學(xué)合理的數(shù)據(jù)處理解算，其精度控制完全能夠《地下水監(jiān)測(cè)工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 51040-2014)中測(cè)量的要求。GPS測(cè)量方法因其技術(shù)可靠、全天候、高效率、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)可以在今后地下水監(jiān)測(cè)站的測(cè)量中廣泛應(yīng)用和推廣。