張 媛，劉東全，劉曉金

（交通運輸部北海航海保障中心天津海事測繪中心，天津 300222）

引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和“西部大開發(fā)戰(zhàn)略”的實施，為內(nèi)陸水庫采集高精度的水下地形地貌數(shù)據(jù)，可保障庫區(qū)船舶安全航行，促進(jìn)當(dāng)?shù)睾竭\事業(yè)及地方經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。在內(nèi)陸水庫測量中，水位的精確控制尤為重要。傳統(tǒng)的水位控制方式無法滿足復(fù)雜情況下水庫測量的需求，有一定的誤差，采用GPS PPK 技術(shù)能夠精確地進(jìn)行水位控制，提高三維水深測量的精度。

1 測量實施

1.1 測區(qū)概況

本文待測水庫呈西南一東北走向，庫區(qū)岸線長約55 km，水面最寬處約6 km。在項目實施過程中，采用GNSS PPK 技術(shù)進(jìn)行高精度的三維水深測量，有效地解決了測量區(qū)域河道彎曲、水面坡降變化大帶來的傳統(tǒng)水位測量方法無法準(zhǔn)確控制水位的難題，避免了由于水位觀測帶來的水位改正誤差，有效減少了水位站的設(shè)立，節(jié)約了大量人力物力，簡化了數(shù)據(jù)后處理程序，提高了水深測量的工作效率，并得到了實踐的檢驗。

1.2 平面與高程控制

平面控制采用 2000 國家大地坐標(biāo)系（CGCS2000），高斯-克呂格3°帶投影，中央經(jīng)線為102°E。

陸域高程控制采用1985 國家高程基準(zhǔn)。高程控制測量采用GPS C 級網(wǎng)觀測的方式、聯(lián)測甘肅CORS，并結(jié)合甘肅省似大地水準(zhǔn)面精化成果獲取其1985 國家高程基準(zhǔn)高程。

由于歷史水位資料匱乏，只能通過測量期間同步觀測水位，掌握測區(qū)的水位變化規(guī)律，并結(jié)合搜集到的部分歷史水位資料，綜合分析確定了以該水庫壩前水位站和壩后水位站分別作為本測區(qū)的基本水位站并設(shè)站觀測水位，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和測量期間的實測數(shù)據(jù)確定了兩站的測深基準(zhǔn)面，同時布設(shè)了7 處臨時水位站，開展同步水位觀測，采用水位相關(guān)法及GNSS PPK 水位測量數(shù)據(jù)求取各臨時水位站的測深基準(zhǔn)面。測深基準(zhǔn)面亦連測至1985 國家高程基準(zhǔn)。

1.3 水位控制

該庫區(qū)水位變化主要受上游來水、季節(jié)性降水和人工控制水閘調(diào)節(jié)蓄水等影響，有其多年的季節(jié)性規(guī)律，通過對搜集的水位資料進(jìn)行分析，確定了其水位變化特點：庫區(qū)壩前水位一天內(nèi)變化緩慢，日變化量?。?、8、11 月的壩前月平均水位相對較低，壩后月水位相對較高；12 月份到轉(zhuǎn)年3 月份壩前月平均水位有逐漸變高趨勢，壩后月平均水位有逐漸變低趨勢，壩前月平均水位在3、4 月份一般處于峰值。

本次測量共布設(shè)了水位站9 處，各個水位站具體位置如下圖所示：

圖1 水位站位置示意圖

其中壩前站和壩后站作為本次測量庫區(qū)的基本水位站，在組織實施水深測量時，分區(qū)域進(jìn)行同步水位觀測；考慮到庫區(qū)水位變化主要取決于上游來水、季節(jié)性降水和人工大壩調(diào)節(jié)等因素，合理安排同步水位觀測時間，確保了水位觀測的可靠性、連續(xù)性和一致性。

2 GNSS PPK 水位測量

2.1 GNSS PPK 測量原理

PPK技術(shù)是利用載波相位進(jìn)行事后差分的GPS定位技術(shù)，是一種動態(tài)測量后處理模式。其工作原理是：利用進(jìn)行同步觀測的一臺基準(zhǔn)站接收機和一臺流動站接收機對衛(wèi)星進(jìn)行載波相位觀測；后處理時在計算機中利用GPS 處理軟件進(jìn)行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量值，確定接收機之間厘米級的相對位置。

在已知控制點上架設(shè)基準(zhǔn)站，并準(zhǔn)確量取天線高度。其中測區(qū)1 上游基準(zhǔn)站至流動站最遠(yuǎn)距離 9.3 km，下游基準(zhǔn)站至流動站最遠(yuǎn)距離8.8 km；測區(qū)2 基準(zhǔn)站至流動站最遠(yuǎn)距離10 km；測區(qū)3 基準(zhǔn)站至流動站最遠(yuǎn)距離6 km。

圖2 基準(zhǔn)站和水位站的位置關(guān)系

在船體重心位置且開闊區(qū)域架設(shè)流動站，準(zhǔn)確量取流動站天線至水面高度。

在iRTK 手簿分別配置并啟動基準(zhǔn)站和流動站。其中設(shè)置基準(zhǔn)站時需要輸入控制點坐標(biāo)（BLH）及天線高度；基準(zhǔn)站和流動站作業(yè)模式選擇PPK 模式，衛(wèi)星截止高度角均設(shè)置為15°，采樣頻率均設(shè)置為1 Hz。

開始測量前，基準(zhǔn)站和流動站初始化觀測20分鐘，而后開展正常PPK 數(shù)據(jù)采集。測量船走航期間，連續(xù)采集PPK 數(shù)據(jù)；測量船靠岸后，仍需開展20 分鐘觀測，然后再關(guān)閉所有設(shè)備電源；整個測量期間，岸邊水位站同步觀測。

1）高程異常求解

本項目中應(yīng)用了平面擬合法與固定差改正法求解高程擬合參數(shù)。平面擬合法，設(shè)測區(qū)內(nèi)高程控制點的平面坐標(biāo)為(xi,yi)，此時選用插值函數(shù)：

固定差改正法即在地形起伏變化較小區(qū)域，認(rèn)為測區(qū)內(nèi)各點的高程異常值是相同的，通過已知控制點的高程異常值，取其平均值，作為測區(qū)內(nèi)高程異常加常數(shù)。

采用已知控制點，分別應(yīng)用平面擬合法和固定差改正法求解高程擬合參數(shù)，最終各個點位殘差數(shù)據(jù)值均小于3 cm。

2）基線解算

采用專用軟件處理PPK 模式下的采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行基線解算，得到解算報告。

3）基面確定

由于測區(qū)水文條件復(fù)雜，水勢變化大，所以在測區(qū)結(jié)合水位站長期觀測數(shù)據(jù)和PPK 模式沿河道采集的測區(qū)各個位置的水面高程數(shù)據(jù)，分別確定了庫區(qū)上下游的基面。

由于庫區(qū)上游水流較快，水位落差變化較大，通過GNSS PPK 觀測發(fā)現(xiàn)瞬時水位呈非線性變化，考慮到測區(qū)上邊界距離大壩后站存在一定距離，本次采用GNSS PPK 沿河道快速往返測量的方式（盡可能消弱時間變化造成的影響）確定了上游河道的落差趨勢，通過多次觀測分析確認(rèn)上游存在一處水面坡降折點，水流經(jīng)此處后河道變寬，水面坡降變緩，如圖3～4 所示：

圖3 庫區(qū)上游PPK 水位采集

庫區(qū)下游通過GNSS PPK 觀測發(fā)現(xiàn)瞬時水位基本呈線性變化，與水位站同步觀測的結(jié)果吻合，由此得到下游測深基準(zhǔn)面。

圖4 庫區(qū)下游PPK 水位采集

4）水位推算

采用專用數(shù)據(jù)處理軟件對基線解算報告分別進(jìn)行濾波處理、水位改正數(shù)改正等工作，其中水位改正時輸入測區(qū)基面控制點位置及其基面高程和河道拐點坐標(biāo)，最終得到走航式水位文件。

2.2 與人工觀測水位的比對

（1）靜態(tài)情況下比對

將基準(zhǔn)站架設(shè)于碼頭站作為控制點，流動站架設(shè)于已知控制點做PPK 靜態(tài)實驗。采集數(shù)據(jù)與控制點已知高程相比得誤差分布圖，其中實驗最大偏差3 cm。

圖5 兩日PPK 誤差分布圖

（2）動態(tài)情況下比對

根據(jù)測量船應(yīng)用PPK 模式在4 個水位站附近位置采集的在航水位數(shù)據(jù)與同時刻水位站采集水位數(shù)據(jù)相比較，可得PPK 在航水位測量精度。通過85 高程數(shù)據(jù)對水位站水位與PPK 水位進(jìn)行比較。

表1 測量船PPK 動態(tài)結(jié)果比較

2.3 水位改正方案

測量期間沿岸布設(shè)3 處水位站均與壩前站有同步觀測數(shù)據(jù)，其同步觀測瞬時水位落差分別為 0.219 m、0.163 m 和0.126 m。兩端兩站水位相關(guān)性良好，滿足直線分帶改正的基本條件，最終決定采用壩前站和臨時1#站對庫區(qū)水深進(jìn)行水位改正，其水位相關(guān)曲線圖如圖6 所示。

圖6 壩前站水位曲線

測量期間該區(qū)域同時使用水位站同步觀測及PPK 水位測量兩種模式進(jìn)行作業(yè)，考慮到該區(qū)域水流湍急且存在一定落差，最終使用成果GNSS PPK模式進(jìn)行水位改正；改正后三維側(cè)掃聲吶及條帶測深儀數(shù)據(jù)條帶拼接良好，主檢測線比對滿足規(guī)范要求。

碼頭站和壩前站同步觀測瞬時水位差為 0.309 m，兩站水位曲線變化態(tài)勢一致，使用雙站直線分帶改正。

圖7 碼頭站水位曲線

3 分析與討論

為控制水深測量成果質(zhì)量，本次測量使用單波束進(jìn)行檢查線測量，比對半徑按照圖上間距1 mm設(shè)定。主檢測線共比對206 點，超限點為16 個，占比7.8 %；主檢測線共比對786 點，超限點為33個，占比4.2 %；比對結(jié)果顯示主檢測線水深符合情況良好，符合測量規(guī)范要求。

項目采用GNSS PPK 技術(shù)進(jìn)行了高精度的三維水深測量，有效地解決了測量區(qū)域河道彎曲、水面坡降變化大帶來的傳統(tǒng)水位測量方法無法準(zhǔn)確控制水位的難題。通過GNSS PPK 采集水位數(shù)據(jù)與水位站觀測水位數(shù)據(jù)比對，及最終水深成果主檢比對表明，GNSS PPK 水位測量數(shù)據(jù)精度能夠滿足常規(guī)水深測量的需求，且具有如下優(yōu)勢：

1）在水文條件復(fù)雜，水勢變化大的水域具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，可有效減少水位站的設(shè)立，且在水深成果解算過程中能夠有效消除船只動態(tài)吃水和涌浪等因素帶來的水深成果誤差；

2）不需建立數(shù)據(jù)傳輸，避免了距離上的限制，作業(yè)半徑大，基本可以控制50～80 km 的距離，其平面定位精度可達(dá)±10 mm+1 ppm×D，高程精度可達(dá)±10 mm+1 ppm×D（D 為基線長度）；

3）克服了傳統(tǒng)固定水位站水位獲取方法的不足，實現(xiàn)了實時實地水位獲取，確保了獲取水位的現(xiàn)勢性和準(zhǔn)確性。

在本次測量過程中有效解決了以下水位控制方面的技術(shù)難點：

1）測區(qū)空間跨度大，多為自然岸線，人工構(gòu)筑物也均為斜坡式構(gòu)筑物，設(shè)立水位站難度大；

2）庫區(qū)枯水季和豐水期水位落差達(dá)8～9 m，同時由于大壩人工調(diào)節(jié)徑流量，使得水位采集數(shù)據(jù)有出現(xiàn)震動不規(guī)律現(xiàn)象；

3）測區(qū)共布設(shè)了9 個水位站，由于測區(qū)跨度大，有水庫和上游內(nèi)河，測量期間只能采用分段測量方式進(jìn)行，合理選擇了壩前和壩后兩個水位站為基本水位站長期觀測水位，確保了水深作業(yè)后水位后處理改正的基準(zhǔn)一致性；

4）以壩前和壩后兩個水位站為基本水位站，采用水位相關(guān)的方法確定臨時水位站的測深基準(zhǔn)面，充分考慮了水下地形高程不同的影響，避免了使用同一測深基準(zhǔn)面帶來的測量誤差，使最終制圖成果實用效果更強，保證了測量成果的精度。

4 結(jié)語

GNSS PPK 水位測量模式僅需設(shè)立基準(zhǔn)站，流動站架設(shè)方便，其能解算沿航跡點的基于穩(wěn)定高程異常值下的水下正常高，點與點間時間間隔短，能夠點對點的提供密集的水位改正信息，可有效提升水深測量精度。在庫區(qū)相對典型區(qū)域使用PPK 測量方法進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，并與傳統(tǒng)水位改正方法所出成果進(jìn)行對比分析，兩種方式精度相當(dāng)，為以后類似測量任務(wù)提供了技術(shù)支撐和依據(jù)。