應(yīng)用GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨鄱陽湖高程基準(zhǔn)的精確傳遞

袁 鋼，王 偉，張?jiān)苿?/p>

（1.江西省核工業(yè)地質(zhì)局，江西 南昌 330046；2.江西省交通設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330002；3.江西省宜春市城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)局，江西 宜春 336000）

近兩年隨著鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的國家區(qū)域性戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施，一批重大生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)工程扎實(shí)推進(jìn)，為配合鄱陽湖水利樞紐工程、高速公路跨湖特大橋等基礎(chǔ)建設(shè)的前期工作，開展了環(huán)鄱陽湖三等水準(zhǔn)測量、鄱陽湖湖區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化、鄱陽湖數(shù)字地面模型等基礎(chǔ)測繪項(xiàng)目的實(shí)施與研究，掌握了一大批數(shù)據(jù)，為湖區(qū)的工程建設(shè)、長遠(yuǎn)治理和保護(hù)提供了強(qiáng)有力的測繪保障。

鄱陽湖位于長江中下游南岸，江西省北部，形似一個(gè)歪脖的葫蘆，湖盆區(qū)分為南北兩部分，南部寬廣為湖區(qū)，北部狹長為湖水入長江水道區(qū)。鄱陽湖南北長173km左右，東西最寬處約74km，湖岸線長約1200km，流域面積為16.22萬km2。正因其獨(dú)特的地理環(huán)境，寬闊的湖面形成了東西兩岸高程基準(zhǔn)精確傳遞的天然屏障，若僅靠現(xiàn)有的環(huán)湖一千多公里的三等水準(zhǔn)聯(lián)系兩岸高程精度偏低、可靠性差，難以滿足跨湖大壩、大橋及隧道等特大型工程的建設(shè)要求。因此，迫切需要進(jìn)行湖盆核心區(qū)兩岸的高程精密聯(lián)測，建立統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)，以滿足高精度工程施工放樣的需要。

1 GPS跨河水準(zhǔn)測量法的原理與特點(diǎn)

GPS技術(shù)具有三維定位功能，具有快速、全天候測量、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。GPS跨河水準(zhǔn)測量技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)方法而言，受外界氣候條件影響小，場地布設(shè)比較靈活，觀測周期短，儀器、標(biāo)尺無需頻繁調(diào)岸，誤差積累不像用光學(xué)水準(zhǔn)測量受大氣垂直折光影響那樣顯著。

GPS跨河水準(zhǔn)測量法的基本原理是精密測定兩岸位于大致一條直線上及間距大致與跨河距離相等的跨河水準(zhǔn)點(diǎn)（即包括跨河點(diǎn)和非跨河點(diǎn)）之間的大地高差，同時(shí)用水準(zhǔn)儀精密測定同岸跨河水準(zhǔn)點(diǎn)間的正常高差，以求出各同岸跨河水準(zhǔn)點(diǎn)間的高程異常變化率，再取其平均值修正跨河點(diǎn)間大地高差，最終求出跨河點(diǎn)之間的正常高差。圖1中AB方向的高程異常變化率

圖1 跨河方向軸線上地形斷面及高程異常變化示意圖

式中：SAB為A、B點(diǎn)間的平距；ΔHAB為A、B點(diǎn)間的大地高差；ΔhAB為A、B點(diǎn)間的正常高差。

最后將兩岸得到的不同的高程異常變化率取其平均值ˉα作為跨河河段的高程異常變化率。則跨河點(diǎn)B、C間高程異常差

由上式計(jì)算跨河點(diǎn)之間的跨河水準(zhǔn)高差

由于似大地水準(zhǔn)面是一個(gè)不規(guī)則的曲面，高程異常隨著地區(qū)地形以及地質(zhì)密度等的不同而存在起伏變化。從式（1）、（2）、（3）看出，要實(shí)現(xiàn)由ΔH到Δh的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵在于推出的Δξ的準(zhǔn)確性。因此，首先要保證選取的跨河方向軸線上高程異常變化應(yīng)近似線性，且斜度基本一致；同時(shí)要精確獲取GPS水準(zhǔn)點(diǎn)間的大地高差和同岸點(diǎn)間的正常高差。

2 跨河場地的選擇與布置

借助分辨率為2.5′×2.5′，精度達(dá)到3.1cm的鄱陽湖湖區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化成果及數(shù)字地面模型分析，跨河水準(zhǔn)工作場地的有利位置在鄱陽湖北部入江水道咽喉部的老爺廟處，枯水期跨湖距離在5km左右，離湖盆核心區(qū)較近。湖兩岸為海拔高度在20～100m間的低矮山丘，地形開闊，變化平緩，設(shè)置的跨河水準(zhǔn)點(diǎn)之間高差最大僅有十幾米，兩岸地貌形態(tài)基本相似。同時(shí)，湖兩岸跨河方向軸線上似大地水準(zhǔn)面變化光滑平緩，這些都為保障GPS跨河水準(zhǔn)測量精度提供了有利的前提條件。

跨河水準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)如圖2所示。跨河點(diǎn)B、C設(shè)在湖盆兩側(cè)近岸制高點(diǎn)上，枯水期離水面達(dá)20多米，B與C之間的距離4 899m；東岸非跨河點(diǎn)A1、A2與跨河點(diǎn)B之間的距離分別為4 913m和4 916m，A1、A2分布在跨河方向軸線兩側(cè)，垂距分別為41.6m和57.5m，基本對(duì)稱；西岸非跨河點(diǎn)D1、D2與跨河點(diǎn)C之間距離分別為4 861m和4 938m，D1、D2亦分布在跨河方向軸線兩側(cè)，垂距分別為114.0m和84.1m。

圖2 跨河水準(zhǔn)點(diǎn)分布及觀測網(wǎng)

為提高儀器對(duì)中和量高精度，并減弱風(fēng)力對(duì)觀測儀器的影響，跨河水準(zhǔn)點(diǎn)均埋設(shè)具有強(qiáng)制對(duì)中裝置的混凝土觀測墩。另外，在距跨河點(diǎn)200m左右處，各埋設(shè)了一座水準(zhǔn)標(biāo)石，以便在觀測期間進(jìn)行跨河點(diǎn)位的穩(wěn)定性檢測。

3 觀測及數(shù)據(jù)處理

2011－11至2012－01正遇鄱陽湖歷史上罕見的枯水期，標(biāo)石埋設(shè)進(jìn)入穩(wěn)定期后，采用4臺(tái)Trimble R8型雙頻GPS接收機(jī)觀測。GPS整網(wǎng)觀測前、后對(duì)同岸GPS跨河點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)之間的高差進(jìn)行了聯(lián)測檢查，高差變化量均在2mm以下。同步觀測圖形均由同岸的3個(gè)跨河水準(zhǔn)點(diǎn)與另一岸的跨河點(diǎn)組成，并按照跨河距離整公里數(shù)的4倍確定最少觀測時(shí)段數(shù)。考慮到既便于作業(yè)、減少調(diào)岸次數(shù)，又能均勻分布每個(gè)重復(fù)同步觀測圖形在各時(shí)間段中，采取每個(gè)同步圖形連續(xù)觀測10h作為一個(gè)大時(shí)段，然后，調(diào)岸觀測另一同步觀測圖形，這樣來回調(diào)岸3次，每個(gè)同步圖形完成2個(gè)不相連的大時(shí)段。室內(nèi)將大時(shí)段按120min時(shí)長分解同步觀測時(shí)段總數(shù)20個(gè)，保證了每一個(gè)同步觀測圖形各基線邊有足夠時(shí)段的重復(fù)基線處理結(jié)果。

跨河水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)志設(shè)在強(qiáng)制歸心裝置的上盤，方便用不銹鋼鋼板尺量取天線高。外業(yè)精確量取水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)志至天線護(hù)圈中心的直高，內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)根據(jù)儀器供應(yīng)商提供的參數(shù)，修正至天線座底部的直高。

為獲取高精度的站點(diǎn)WGS－84坐標(biāo)，將跨河水準(zhǔn)點(diǎn)納入到二等GPS平面控制網(wǎng)內(nèi)，與江西CORS站聯(lián)測。基線解算前，利用美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體研制的GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件TEQC進(jìn)行Rinex觀測數(shù)據(jù)的切割及質(zhì)量檢核，以2h為一單元，將連續(xù)觀測數(shù)據(jù)截?cái)嗖澐譃槎鄠€(gè)時(shí)段進(jìn)行基線解算，質(zhì)量檢核可以反映出GPS數(shù)據(jù)的電離層延遲、多路徑影響、接收機(jī)周跳、衛(wèi)星信號(hào)信噪比等信息。并從IGS官網(wǎng)上按GPS累積周查找到要下載的精密星歷文件igs？？？？？.sp3.z（igs為事后精密星歷，？？？？？前四位為GPS累積周，后一位為周幾，sp3為文件格式，z表示壓縮文件），作為基線解算的起始值。它是目前使用最廣泛的精密星歷，每隔15min給出衛(wèi)星在空間的三維坐標(biāo)、三維速度及鐘差改正等信息，通常延遲2～3周發(fā)布。

基線處理后，須對(duì)所有基線解算結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行同步環(huán)、異步環(huán)閉合差及重復(fù)基線長度、大地高差互差的檢驗(yàn)，以及根據(jù)三維無約束平差后各基線向量改正數(shù)及其它精度信息，剔除含有粗差的基線。

同岸水準(zhǔn)點(diǎn)之間的正常高差使用DINI03數(shù)字水準(zhǔn)儀按一等水準(zhǔn)測量要求進(jìn)行聯(lián)測，并在高差觀測值中加入水準(zhǔn)標(biāo)尺長度改正、水準(zhǔn)面不平行改正及重力異常改正等。

4 對(duì)跨河水準(zhǔn)測算結(jié)果的檢驗(yàn)分析

為檢驗(yàn)本次GPS跨河水準(zhǔn)測量的成果質(zhì)量及可靠性，采取多種手段進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。

1）對(duì)每一個(gè)非跨河點(diǎn)與最近跨河點(diǎn)計(jì)算出的每公里高程異常變化率α進(jìn)行比較，同岸較差最大為0.78mm/km，不同岸較差最大2.75mm/km。表明跨河方向軸線上高程異常變化很平緩，不符值遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限差值。

2）在第1次跨河水準(zhǔn)觀測完成1個(gè)月后又進(jìn)行了第2次GPS跨河水準(zhǔn)測量，2次測算結(jié)果相差僅0.3mm。

3）利用近期完成的鄱陽湖湖區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化成果內(nèi)插得到的跨河水準(zhǔn)點(diǎn)B、C之間的高程異常差與本次跨河測算結(jié)果不符值為12mm。

4）由東岸的二等國家水準(zhǔn)點(diǎn)引測近百公里的二等水準(zhǔn)經(jīng)跨河水準(zhǔn)閉合到西岸的國家一等水準(zhǔn)點(diǎn)，其觀測高差與抄取的已知成果高差相差7.5mm。

經(jīng)以上結(jié)果對(duì)比分析，顯示本次GPS跨河水準(zhǔn)觀測成果不存在明顯的系統(tǒng)誤差或粗差，采取的技術(shù)措施合理可行。

5 結(jié)束語

GPS跨河水準(zhǔn)測量的實(shí)質(zhì)是通過精確推求的跨河點(diǎn)間的高程異常差Δξ，實(shí)現(xiàn)從大地高差ΔH到正常高差Δh的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。通過應(yīng)用GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨鄱陽湖高程基準(zhǔn)精確傳遞的實(shí)踐，得到如下幾點(diǎn)體會(huì)：

1）采用GPS技術(shù)進(jìn)行長距離跨河水準(zhǔn)測量是一種新的嘗試，本次跨越鄱陽湖兩岸高程聯(lián)測的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到了國家二等水準(zhǔn)測量的精度要求，其作業(yè)與數(shù)據(jù)處理方法可供今后類似工程借鑒。

2）注重跨河工作場地的選擇尤為重要，盡可能利用本地區(qū)已有的似大地水準(zhǔn)面精化成果分析，選擇兩岸大地水準(zhǔn)面具有相同的變化趨勢，且變化相對(duì)平緩的方向上布設(shè)跨河方向軸線?？绾铀疁?zhǔn)點(diǎn)應(yīng)全部建造成強(qiáng)制歸心觀測墩，并注意避開影響衛(wèi)星信號(hào)接收的強(qiáng)電磁場或高大樹木等障礙物。

3）GPS跨河水準(zhǔn)測量應(yīng)有足夠的觀測時(shí)段，將重復(fù)同步觀測圖形均勻分布于各時(shí)間段內(nèi)。

4）對(duì)于長距離跨河，盡可能將跨河水準(zhǔn)點(diǎn)與本地區(qū)CORS站聯(lián)測并利用精密星歷進(jìn)行基線解算。

［1］寧津生，陳俊勇，李德仁，等.測繪學(xué)概論［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2008：35－83.

［2］國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 12897－2006國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［3］鄭強(qiáng)，吳迪軍，張建軍.橋梁工程跨河水準(zhǔn)測量設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.地理空間信息，2009（4）：148－149.

［4］鄔昱昆，岳東杰，楊柏寧.GPS水準(zhǔn)在蘇通大橋建設(shè)中的應(yīng)用研究［J］.測繪通報(bào)，2007（2）：58－60.

［5］范百興，裴輝，陳小龍.含有跨河水準(zhǔn)測量的大型橋梁高程控制網(wǎng)精度分析［J］.測繪通報(bào)，2006（2）：6－8.

［6］邱斌，王禮江，朱建軍.GPS跨河水準(zhǔn)測量［J］.城市勘測，2005（6）：45－46.

［7］向鑫，趙峰，蔣建國.長距離跨江高程聯(lián)測平差方法及精度評(píng)估［J］.測繪通報(bào)，2008（4）：1－3.

［8］馮林剛，趙志軍，王占政，等.GPS高程轉(zhuǎn)換的嚴(yán)密平差算法［J］.測繪通報(bào)，2012（4）：44－46.