GPS測量技術在陜西省地下水監(jiān)測站高程引測及坐標測量中的應用研究

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(陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安 710003)

開展地下水監(jiān)測站高程引測及坐標測量工作，其目的是為了將所監(jiān)測到的地下水動態(tài)埋深資料轉化成地下水水位資料，繪制地下水水位等值線圖等。進而分析地下水資源的時空變化規(guī)律，為地下水資源的合理開發(fā)和科學利用提供科學依據。同時，地下水監(jiān)測站位置坐標測量，可以精確反映監(jiān)測站的位置和分布情況，為后期地下水監(jiān)測站網的規(guī)劃布設及優(yōu)化調整提供準確詳實的基礎性依據。根據《國家發(fā)展改革委關于國家地下水監(jiān)測工程初步設計概算的批復》(發(fā)改投資[2015]250號)和水利部、國土資源部關于國家地下水監(jiān)測工程初步設計報告的批復(水總[2015]250號)，陜西省核定完成558處監(jiān)測井建設任務，地下水監(jiān)測站的高程引測及坐標測量工作是陜西省項目建設的一部分。站點分布為：關中片區(qū)383處，陜南片區(qū)67處，陜北片區(qū)108處，全省合計558處，詳見表1。

表1 陜西省地下水監(jiān)測站高程引測及坐標測量數(shù)量統(tǒng)計表

1 相關概念

校核水準點：是指埋設在每個地下水監(jiān)測站附近，用于監(jiān)測站高程及坐標接測、復測的固定水準點。

附近地面：監(jiān)測井口附近，用于計算地下水埋深的自然地坪。

井口保護筒固定點(高程點)：是指固定于井口保護筒內側，既有利于監(jiān)測工作又不易脫落的永久性標志。

2 測量方案選取

縱觀陜西省監(jiān)測站點分布特點，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沙灘區(qū)，跨省內多個地貌及水文地質單元，甚為分散。按照《地下水監(jiān)測工程技術規(guī)范》(GB/T 51040-2014)的規(guī)定：基本水準點高程，應從不低于國家三等水準點按四等水準測量標準接測，引測的國家水準點，在復測或校測時不應更換；校核水準點高程，應從不低于國家三等水準點或基本水準點按五等水準測量標準接測；監(jiān)測站井口固定點高程和監(jiān)測站附件地面高程，可從基本水準點或校核水準點按五等水準測量標準接測?？紤]到陜西省現(xiàn)狀地下水監(jiān)測站分布廣、單站距離遠，引測點較遠、通視性條件差等因素不適合常規(guī)人工水準測量，并且該方法費時費力，不適用于通視性條件差的站點高程引測，直接影響測量工期。經過多個測量方案比選后，決定采用GPS靜態(tài)定位測量與水準測量相結合的方法完成?？上韧ㄟ^建立E級GPS測量控制網進行靜態(tài)定位，并同步已知等級水準點進行GPS高程擬合聯(lián)測，獲取校核水準點的高程及坐標值，再用水準測量的方法完成附近地面高程和井口保護筒固定點高程的測量。GPS擬合高程計算精度可以達到地下水監(jiān)測工程技術規(guī)范》(GB/T 51040-2014)中五等水準及以上精度要求。

3 測量方案實施

3.1 資料收集

根據任務需要，并充分考慮測區(qū)范圍及精度控制因素，收集測區(qū)范圍內1980西安坐標系GPS控制點102個，1985國家高程基本水準100個，詳見表2。

3.2 GPS組網及觀測

測量環(huán)節(jié)的關鍵是組網，主要考慮已知水準點和被測GPS點的關系，以期得到最優(yōu)布測方案。綜合精度要求、衛(wèi)星狀況、接收機類型和數(shù)量、測區(qū)已有資料、測區(qū)地形和交通狀況及作業(yè)效率，直接以市級行政區(qū)域劃分GPS聯(lián)測網，分別組成十個GPS區(qū)域聯(lián)測網，同時為了有效控制測量誤差，以半徑約50公里區(qū)域為單元進行GPS聯(lián)測，在每個GPS聯(lián)測網范圍邊上最少選擇3個(每個時段把校核水準點包含在里面)陜西省C級以上等級的 GPS點，觀測時省級GPS點全天連續(xù)觀測，范圍內使用8臺(47個時段用10臺)GPS接收機靜態(tài)觀測，觀測組網按邊連接方式構網GPS觀測前按星歷表的衛(wèi)星健康情況確定具體觀測計劃、選取GPS觀測最佳時段，根據不同的觀測要求對接收機的設置進行全面檢查和預置。GPS觀測中必須滿足的條件有：GPS接收機類型采用雙頻接收機；有效衛(wèi)星顆數(shù)不少于4顆；靜態(tài)同步測量時間不少于45 min；靜態(tài)采樣間隔10～30 s；滾動站與基站的距離10 km內；對天通視良好，10°以上無成片障礙物；測量時無微波或無線電信號干擾，實際操作中GPS觀測各項技術要求，詳見表3。

表2 陜西省控制點收集表

表3 GPS觀測技術要求比對

3.3 數(shù)據計算

GPS基本水準點高程，直接引用國家Ⅲ等以上水準點；校核水準點高程，滿足GPS觀測要求的采用似大地水準面計算理論中的“移去恢復法”，使用最新的EGM2008模型，以觀測區(qū)域為單位，通過計算已知高程點的WGS84框架各瞬時歷元下高程異常，并查詢其EGM2008下大地水準面差距，以計算高程異常和大地水準面差距之差(殘差)，作為內插基礎，以各監(jiān)測點至各已知高程的距離平方倒數(shù)定權，內插獲取各監(jiān)測點殘差，然后同監(jiān)測點EGM2008模型下大地水準面差距，恢復獲取監(jiān)測點高程異常值，帶入大地高，從而獲取監(jiān)測點85高程。實施過程中，發(fā)現(xiàn)本次校核水準點和井口固定點距離普遍不大于10 m，不利于四等水準測量，校核水準點不滿足GPS觀測要求，所以就近選取過渡點(滿足GPS觀測)，利用水準儀以四等水準觀測要求從過渡點引測高程到校核水準點。井口固定點和監(jiān)測站附近地面高程在測區(qū)GPS平網的基礎上計算出七參數(shù)，用RTK測量，個別點不滿足RTK測量的采用三角高程測量其高程。觀測組網按邊連接方式構網。重復觀測點數(shù)量滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》中大于等于1.6倍的要求，詳見表4。

數(shù)據計算以同步觀測時段為單位，每個時段采用多基線模式解算。為了滿足后續(xù)平面和高程成果計算要求，每個分區(qū)都進行了框架網和區(qū)域網兩次基線解算。進行框架網解算時，納入IGS跟蹤站和區(qū)域框架點，采用長基線解算策略，考慮天頂延遲、海潮模型，使用Saastamoinen對流層延遲模型PWL分段線性法處理等影響，進行精密計算獲取高精度基線向量。進行區(qū)域網解算時，僅解算區(qū)域框架點和監(jiān)測點，不考慮海潮模型、天頂延遲等影響，以提高運算速度、減少干擾。計算結果如下：(1)重復基線：長度差值比較,每部分第一行為參考基線及長度差限差(mm)，后續(xù)為重復基線及其與參考基線的差值(mm)。檢測合格數(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：檢測合格數(shù)25條，相對誤差限制15.00 ppm，相對誤差= 2.49 ppm ；(3)異步環(huán)閉合差：檢測合格數(shù)483條，相對誤差限制22.50 ppm，相對誤差= 2.25 ppm

表4 GPS網觀測信息匯總表

注：觀測點數(shù)含已知點，不含重復觀測點數(shù)，GPS儀器交錯使用。

表5 各區(qū)域平面精度匯總表 mm

3.4 平面精度統(tǒng)計

每個時段觀測標準化均方根誤差nrms以小于0：4周為基本解算要求，并在此基礎上進行異步環(huán)、重復基線較差等檢驗。由于gamit軟件為多基線解，故而各時段同步環(huán)閉合差均為0。

網平差使用武漢大學研制CosaGPS5：21平差軟件，按區(qū)域進行計算。方法為：(1)三維網平差，通過對IGS跟蹤站進行匹配檢驗，以不超過10 mm的站為基準，獲取各分區(qū)框架點的WGS84瞬時三維坐標；(2)二維網平差，以區(qū)域框架點為約束，進行監(jiān)測點三維坐標計算。再以框架點的1980西安坐標進行約束，平差獲取各監(jiān)測點的西安1980坐標。各區(qū)域網西安1980坐標系下最終平面精度統(tǒng)計，詳見表5。

3.5 高程精度統(tǒng)計

由于測區(qū)已知點和監(jiān)測點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，不足以獲取準確高程異常。為了解決這個問題，借鑒似大地水準面計算理論中的“移去恢復法”，采用最新的EGM2008模型，以觀測區(qū)域為單位，通過計算已知高程點的WGS84框架各瞬時歷元下高程異常，并查詢其EGM2008下大地水準面差距，以計算高程異常和大地水準面差距之差(殘差)，作為內插基礎，以各監(jiān)測點至各已知高程的距離平方倒數(shù)定權，內插獲取各監(jiān)測點殘差，然后同監(jiān)測點EGM2008模型下大地水準面差距，恢復獲取監(jiān)測點高程異常值，帶入大地高，從而獲取GPS點的85高程。本測量工作擬合高程模型分別進行了模型內、外符合允許高程中誤差計算，其模型內高程中誤差為26 mm,模型外高程中誤差為43 mm。計算結果符合《水利水電工程測量規(guī)范》(SL197-2013)有關內容五等水準測量精度要求，模型內符合允許中誤差五等為±30 mm,對于模型外符合允許中誤差五等為±50 mm。

4 結語

國家地下水監(jiān)測工程(水利部分)陜西省地下水監(jiān)測站高程引測及坐標測量工作從實施至結束僅僅用時40多天，GPS測量技術的使用，大大縮短了項目工期，節(jié)約了大量的人力、物力資源。只要選擇適合項目特點的GPS測量技術設計方案，進行科學合理的數(shù)據處理解算，其精度控制完全能夠《地下水監(jiān)測工程技術規(guī)范》(GB/T 51040-2014)中測量的要求。GPS測量方法因其技術可靠、全天候、高效率、操作簡便等特點可以在今后地下水監(jiān)測站的測量中廣泛應用和推廣。