水利工程測(cè)量中SXCORS高程控制精度分析

魏學(xué)文

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 概述

水利工程相比一般土建工程而言，不僅投資大、工期長(zhǎng)、工程量大，而且工程條件復(fù)雜、施工難度較高、經(jīng)濟(jì)效益較低、影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)、失事后果嚴(yán)重等。因此，水利工程測(cè)量工作比一般土建工程顯得更為重要，無(wú)論是在勘測(cè)設(shè)計(jì)階段、施工建設(shè)階段，還是在運(yùn)行管理階段，都應(yīng)在具備測(cè)量成果的基礎(chǔ)上才能順利進(jìn)行，特別是水利工程測(cè)量中的高程測(cè)量工作尤為重要。修建水庫(kù)時(shí)，首先要測(cè)量河底高程、水位深度，經(jīng)過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)后才能確定大壩的基礎(chǔ)深度、壩體高度、蓄水高度、淹沒(méi)、移民和安置高度。精確的高程測(cè)量是水利工程建設(shè)的重要基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的高程測(cè)量使用精密水準(zhǔn)儀配合水準(zhǔn)尺進(jìn)行等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量，每個(gè)測(cè)量小組需要5人以上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途跋涉，測(cè)量出每個(gè)站點(diǎn)的相對(duì)高差，經(jīng)嚴(yán)密平差計(jì)算，才能推算出未知水準(zhǔn)點(diǎn)或放樣要求的高程值。這種高程測(cè)量方法精度較高、技術(shù)成熟，但勞動(dòng)強(qiáng)度大、干擾因素多、測(cè)量效率低，而且容易超出規(guī)范限差和返工浪費(fèi)。通過(guò)SXCORS系統(tǒng)對(duì)不同地區(qū)、不同等級(jí)和不同水利工程類(lèi)型的等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量成果進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量，來(lái)分析SXCORS系統(tǒng)的高程測(cè)量精度。

SXCORS系統(tǒng)是山西省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位參考站系統(tǒng)，可定義為山西省內(nèi)一個(gè)或若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的GPS參考站，綜合應(yīng)用GNSS定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分改正、信息解算，提供滿足GPS用戶(hù)使用數(shù)據(jù)以及其他有關(guān)GPS服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的GPS作業(yè)相比，連續(xù)運(yùn)行參考站具有作用范圍廣、精度高、野外單機(jī)作業(yè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)高程測(cè)量方式產(chǎn)生了顛覆性影響。

2 工程實(shí)例

2.1 水庫(kù)工程高程檢測(cè)測(cè)量

水庫(kù)工程高程檢測(cè)測(cè)量是檢測(cè)山區(qū)地形、小區(qū)域（相對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域可視為點(diǎn)狀區(qū)域）、單基站、近距離（10 km以?xún)?nèi)）情況下的CORS高程測(cè)量精度。

擬建的守口堡水庫(kù)位于山西省大同市陽(yáng)高縣城西北約10 km的黑水河上游段，是永定河上游防洪的骨干工程，也是緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾、促進(jìn)大同市工農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)選方案。為滿足1/500壩址地形測(cè)圖、1/2000庫(kù)區(qū)地形測(cè)圖、斷面測(cè)繪以及施工放樣的需要，通過(guò)傳統(tǒng)的等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量布設(shè)了四等和五等兩級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)，四等水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)約10 km，五等水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)約15 km，成果精度滿足《規(guī)范》的各項(xiàng)限差要求。

2.1.1 測(cè)量方法

第一，四等和五等水準(zhǔn)分別測(cè)量4點(diǎn)，平均測(cè)段長(zhǎng)度約1 km（不足1 km按1 km計(jì)），路線長(zhǎng)度4 km。第二，選用南方測(cè)繪S86T雙頻雙星CORS移動(dòng)站儀器。第三，選取沒(méi)有影響衛(wèi)星信號(hào)或影響較小的水準(zhǔn)點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)。第四，嚴(yán)格對(duì)中整平儀器。第五，測(cè)量前預(yù)熱和靜置儀器，檢查電池容量和接收機(jī)的儲(chǔ)存空間。第六，測(cè)量對(duì)中誤差小于2 mm，分別量取天線高3次，精確至1 mm，較差小于3 mm時(shí)取平均值。第七，CORS信號(hào)強(qiáng)勁，穩(wěn)定保持5 s固定解后方可采集。第八，每點(diǎn)觀測(cè)2個(gè)測(cè)回，每測(cè)回記錄2次數(shù)據(jù)，讀數(shù)較差小于1.5 cm，測(cè)回差小于2.0 cm時(shí)，該測(cè)回成果取平均值；超出上述限差時(shí)，重新測(cè)量本測(cè)回或測(cè)點(diǎn)。

2.1.2 測(cè)量精度

檢測(cè)測(cè)量的CORS高程原始數(shù)據(jù)為WGS2000格式，經(jīng)山西省測(cè)繪局GPS中心轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)成果，與已有水準(zhǔn)測(cè)量成果計(jì)算較差。通過(guò)比較各點(diǎn)高程高差，可以計(jì)算測(cè)段和路線的精度，見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)工程水準(zhǔn)測(cè)量限差及CORS檢測(cè)精度比較表

由表1可見(jiàn)，守口堡水庫(kù)工程CORS高程測(cè)量精度均高于《規(guī)范》規(guī)定的五等水準(zhǔn)限差。

2.2 線路工程高程檢測(cè)測(cè)量

線路工程高程檢測(cè)測(cè)量是檢測(cè)平川地形、大區(qū)域（水利工程線路可長(zhǎng)達(dá)幾十公里或100 km以上）、多基站、遠(yuǎn)距離（CORS基站建在城鎮(zhèn)）情況下的CORS高程測(cè)量精度。

坪上應(yīng)急引水工程位于山西省忻州市,橫貫忻府區(qū)、定襄縣、五臺(tái)縣，干線長(zhǎng)達(dá)120 km，是緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾、促進(jìn)忻州市工農(nóng)業(yè)發(fā)展的有效方案。為滿足工程勘測(cè)設(shè)計(jì)及施工放樣的需要，通過(guò)傳統(tǒng)的等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量布設(shè)了四等和五等兩級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)，四等水準(zhǔn)線路總長(zhǎng)160 km，五等水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)200 km，成果精度滿足《規(guī)范》的各項(xiàng)限差要求。

2.2.1 測(cè)量方法

第一，四等水準(zhǔn)檢測(cè)測(cè)量16點(diǎn)，平均測(cè)段長(zhǎng)度約2 km，路線長(zhǎng)度約30 km。五等水準(zhǔn)測(cè)量22點(diǎn)，平均測(cè)段長(zhǎng)度約2 km，路線長(zhǎng)度約26 km。第二，考慮到測(cè)區(qū)跨度大、多基站測(cè)量的特點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)回?cái)?shù)增加為3個(gè)，每測(cè)回記錄2次數(shù)據(jù)，讀數(shù)較差小于1.5 cm，測(cè)回差小于2.0 cm時(shí)，該測(cè)回成果取讀數(shù)平均值；超出上述限差時(shí)，重新測(cè)量本測(cè)回或測(cè)點(diǎn)。其測(cè)量方法同前。

2.2.2 測(cè)量精度

通過(guò)比較各點(diǎn)高程高差，計(jì)算測(cè)段和路線測(cè)量精度，見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，坪上應(yīng)急引水工程CORS高程測(cè)量精度均高于《規(guī)范》規(guī)定的四等水準(zhǔn)各項(xiàng)限差。

2.3 檢測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)前述檢測(cè)數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計(jì)出SXCORS系統(tǒng)測(cè)量的高程較差分布范圍，見(jiàn)表3。

從檢測(cè)測(cè)量的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)，無(wú)論是以單基站、近距離、點(diǎn)狀山區(qū)為代表的水庫(kù)工程，還是以多基站、遠(yuǎn)距離、線（面）狀平川為代表的線路工程，通過(guò)SXCORS系統(tǒng)測(cè)量的高程成果具有以下特點(diǎn)：一是測(cè)量精度的偶然性。即使在同一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)上，使用SXCORS系統(tǒng)測(cè)量的每一測(cè)回?cái)?shù)據(jù)均有差異，通過(guò)增加觀測(cè)時(shí)間測(cè)定的數(shù)據(jù)也不盡相同。二是相對(duì)高精度的系統(tǒng)性。雖然測(cè)繪差具有偶然性，但測(cè)量高程較差有50%左右，精度均在3 cm以?xún)?nèi)；較差有80%以上，精度均在5 cm以?xún)?nèi)。對(duì)于每站測(cè)量時(shí)間約5 min左右、測(cè)量人員1名的高程控制測(cè)量方法非常高效準(zhǔn)確。理論上，應(yīng)該采取增加測(cè)回?cái)?shù)取平均值的方法來(lái)提高精度。三是誤差不傳遞、不累積的獨(dú)立性。由表1～3可見(jiàn)，無(wú)論測(cè)段（或路線）長(zhǎng)度如何變化，測(cè)點(diǎn)高差較差和閉合差均在3～5 cm左右，說(shuō)明測(cè)量誤差沒(méi)有隨路線長(zhǎng)度增加而增大，這種誤差不傳遞、不累積的獨(dú)立性正是其在工程測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)所在。四是水準(zhǔn)模型精化的區(qū)域性。平川地區(qū)檢測(cè)精度略高于山區(qū)檢測(cè)精度，是由于平川地區(qū)原有高等級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、高程異常值均勻，以及CORS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)勁穩(wěn)定干擾少，使水準(zhǔn)模型精化更為準(zhǔn)確。

表2 線路工程水準(zhǔn)測(cè)量限差及CORS檢測(cè)精度比較表

表3 SXCORS高程測(cè)量較差分布范圍統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩個(gè)具有不同區(qū)域的代表性工程高程測(cè)量檢測(cè)和精度分析，雖然個(gè)別指標(biāo)能達(dá)到四等或五等水準(zhǔn)測(cè)量精度，但其精度的偶然性局限了SXCORS系統(tǒng)進(jìn)行高程測(cè)量的可靠性。目前使用該系統(tǒng)進(jìn)行高程測(cè)量時(shí)應(yīng)通過(guò)分布試驗(yàn)的方法確定不同測(cè)區(qū)的測(cè)量精度，“取長(zhǎng)避短”的長(zhǎng)距離測(cè)設(shè)高程起算點(diǎn)，可提高網(wǎng)內(nèi)的相對(duì)精度，更好地服務(wù)水利工程測(cè)量和建設(shè)。