一種快速檢核水運工程控制點高程的方法

孫洪瑞，何 斌，吳衛(wèi)平

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

控制點的高程成果是工程建設(shè)全周期內(nèi)必備的重要基礎(chǔ)資料，必須采用統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)，且引用的成果需要保持延續(xù)性且均符合國家規(guī)范要求。隨著測量技術(shù)水平的不斷提升和市場競爭的加劇，前期測量控制點高程成果的檢核效率、可用性或可靠性對后期各階段的工程設(shè)計、施工質(zhì)量和進度將產(chǎn)生重大影響，甚至造成不可彌補的事故。高程的常規(guī)檢核方法是采用水準(zhǔn)測量技術(shù)，占用人力、物力資源較多，且工效不高。此外，傳統(tǒng)方法還無法識別前期控制點成果的高程基準(zhǔn)類型，如屬于1985國家高程基準(zhǔn)還是當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妗鹘y(tǒng)檢核方法存在一定的弊端和局限性。

黃永帥等[1]利用千尋北斗地基增強系統(tǒng)實現(xiàn)了在滑坡監(jiān)測領(lǐng)域的厘米級應(yīng)用，說明北斗地基增強系統(tǒng)具有高精度和便捷性；章傳銀等[2]采用EGM2008全球重力場模型計算大地水準(zhǔn)面和高程異常，說明我國整體高程異常精度約為0.20 m；李玉平等[3]提出在一定范圍內(nèi)利用EFM2008模型對GPS(global positioning system，全球定位系統(tǒng))大地高進行轉(zhuǎn)換可以代替四等以下水準(zhǔn)測量的觀點；張興福等[4]利用GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，檢核EGM2008重力場模型的外符合精度中誤差在5 cm內(nèi)；吳波等[5]基于EGM2008重力場模型，構(gòu)建江蘇地區(qū)的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面；王鳴鶴等[6]基于EGM2008重力場模型和相關(guān)算法，構(gòu)建礦區(qū)的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。上述研究是利用北斗地基增強系統(tǒng)(北斗二號)和分辨率為5′×5′的EGM2008模型進行數(shù)據(jù)處理和分析，測量的精度和可靠性有待提高并加以驗證。

本文探索一種新的檢核方法，利用全新的北斗地基增強系統(tǒng)(北斗三號)和網(wǎng)格分辨率為1′×1′的高精度EGM2008模型，通過融合這兩種技術(shù)，提出獲取高程的具體實施流程和操作方法，并通過工程實例數(shù)據(jù)，統(tǒng)計待定點高程的外符合精度，分析成果數(shù)據(jù)的可用性，以驗證該方法的有效性和快速性。

1 北斗地基增強系統(tǒng)

北斗地基增強系統(tǒng)(Beidou ground-based augmentation system，BDS-GBAS)是一套可以使北斗定位精度達到厘米級的系統(tǒng)，于2018-05-23完成基本系統(tǒng)研制建設(shè)。目前我國的北斗地基增強系統(tǒng)服務(wù)平臺主要是千尋位置網(wǎng)絡(luò)有限公司(簡稱“千尋”)。該系統(tǒng)是利用在全國各地布設(shè)的基準(zhǔn)站建立一個網(wǎng)，經(jīng)過計算，給用戶發(fā)布實時的改正信息。與常規(guī)單基準(zhǔn)站RTK(real-time kinematic，實時動態(tài)載波相位差分技術(shù))定位相比，該方法覆蓋范圍更廣、定位精度更高、可靠性更強，可實時提供厘米級定位結(jié)果。

“千尋知寸”(FindCM)提供的厘米級高精度定位服務(wù)，依托移動網(wǎng)絡(luò)信號，可獲得水平精度2 cm、高程精度5 cm的實時定位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集速度快，使用方便。

2 EGM2008地球重力場模型

EGM2008重力場模型是美國國家地理空間情報局(NGA)重力場研發(fā)小組在2008年4月發(fā)布的全球超高階地球重力場模型，模型的基本空間分辨率為5′×5′，其最高網(wǎng)格分辨率已達1′×1′，即約1.8 km，精度非常高。該模型的高程異常全球精度為13 cm，在我國大陸地區(qū)總體精度為20 cm。

EGM2008模型的主要數(shù)據(jù)來源為衛(wèi)星重力、地面重力、衛(wèi)星測高等，基于該模型的高程異常計算公式為：

(1)

3 高程獲取方法

利用接收北斗衛(wèi)星信號的GNSS多頻接收機，并通過網(wǎng)絡(luò)接入千尋知寸(FindCM)信號源，設(shè)置端口號為8003，即可獲取實時測量控制點的國家2000大地坐標(biāo)(X，Y，H)和經(jīng)緯度坐標(biāo)(θ，λ，h)；再通過開源軟件AllTrans EGM2008 Calculator，重力場數(shù)據(jù)選用Und_min1x1_egm2008_isw=82_WGS84_TideFree_SE(網(wǎng)格間距約1.8 km)，直接得到模型的高程異常值ξM。

根據(jù)《工程測量標(biāo)準(zhǔn)》[7]，當(dāng)所測控制點等級要求高時，需要相應(yīng)的測回數(shù)，取均值作為最終成果。測回數(shù)要求見表1。

表1 一、二級衛(wèi)星定位測量控制網(wǎng)動態(tài)測量測回數(shù)要求

GNSS觀測采集到的高程是基于WGS84橢球的大地高，而我國使用的高程系統(tǒng)是基于似大地水準(zhǔn)面的正常高，如1985國家高程系統(tǒng)，是以青島驗潮站多年平均海平面為基準(zhǔn)的一種近似海拔高度。大地高與正常高之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為：

h=H-ξ

(2)

式中：H為測點的大地高，通過GNSS靜態(tài)解算或?qū)崟r動態(tài)所得(本文是基于實時動態(tài)方法測得)；h為測點的正常高，是由水準(zhǔn)測量所得；ξ為該點的高程異常值，該值與EGM2008模型值ξM存在一定的系統(tǒng)差，假設(shè)為Δξ，此時式(2)可以變換為式(3)：

h=H-ξM-Δξ

(3)

差值Δξ不是在每個地方都相同，但在一般的水運工程中，控制點離測區(qū)一般不超過10 km，Δξ變化很小，本文采用2個以上的已知控制點Δξi的均值，推算出各待定點改化后的模型計算正常高，然后與水準(zhǔn)高比較，統(tǒng)計分析各點的高程殘差以及高程中誤差。

本文提出利用BDS-GBAS技術(shù)與EGM2008重力場模型獲取待定點高程的流程，見圖1。

圖1 利用BDS-GBAS與EGM2008獲取待定點高程的流程

4 工程實例分析

4.1 工程概況

實例1為江蘇省鹽城市某鋼鐵項目規(guī)劃設(shè)計階段海域地形測量，于2019年9月施測，設(shè)計階段為工可階段，搜集到的已有控制點成果未說明高程系統(tǒng)，對于水運工程而言，鑒別高程系統(tǒng)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，須明確屬于1985國家高程基準(zhǔn)還是屬于當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫源_保提供的成果質(zhì)量可靠、可用。

實例2為南通港某碼頭工程(A標(biāo)段)地形測量，于2020年4月施測，設(shè)計階段為施工圖階段，屬于江蘇省2020年重點工程?？辈煸O(shè)計周期非常緊迫，且涉及多家單位的測量資料融合匹配，我單位的高程數(shù)據(jù)與建設(shè)單位后續(xù)提供的控制點成果相差十幾厘米，差異較小，但需要鑒別其可用性并說明情況，否則就需要重新進場補測。

兩個實例的控制點分布見圖2?？梢钥闯?，圖2a)的待定點距已知點4～8 km；圖2b)的待定點距已知點1～4 km。

圖2 控制點分布

本文控制點均按照表1中的一級精度要求施測，利用千尋北斗地基增強系統(tǒng)服務(wù)，采用華測T8型多頻接收機，對每個控制點施測4個測回，取均值作為經(jīng)緯度坐標(biāo)(θ，λ，h)的真值。此外，兩個實例中的控制點均按四等以上水準(zhǔn)測量精度進行了聯(lián)測。

4.2 數(shù)據(jù)分析

4.2.1精度和可用性評定標(biāo)準(zhǔn)

本文采用外符合精度評定高程的精度和可用性，通常外符合精度以高程中誤差[8]表示，公式為：

(4)

式中：σ為高程中誤差；νi為高程殘差；hi、hRi為各控制點改化坐標(biāo)后的模型計算正常高、實測正常高；n為控制點個數(shù)。

4.2.2精度分析

采用本文提出的控制點高程獲取方法，對實例1和2的實測數(shù)據(jù)進行分析，各個待定點的高程殘差見圖3，高程外符合精度見表2。

圖3 控制點高程殘差

表2 高程外符合精度

由表2可知，實例1的待定點高程殘差最大為3.0 cm，高程中誤差±2.6 cm，均不超過5 cm；實例2的待定點高程殘差最大為-3.7 cm，高程中誤差±2.1 cm，均不超過5 cm。

4.2.3可用性分析

采用本文提出的控制點高程獲取方法，計算出實例2的待定點高程，與建設(shè)單位提供的控制點成果(高程精度為三等水準(zhǔn))比較結(jié)果見表3。可以看出，最大、最小、平均較差分別為-0.124、-0.105、0.115 m，說明2套數(shù)據(jù)呈現(xiàn)系統(tǒng)性誤差，鑒于均采用了水準(zhǔn)測量的方法傳遞高程，可能原因是起算點資料引用有差異。

表3 實例2的控制點計算高程與已知高程比較

4.2.4高程系統(tǒng)判斷

采用本文提出的控制點高程獲取方法，計算出實例1的已知點高程，與搜集的控制點成果比較結(jié)果見表4?？梢钥闯觯?套高程數(shù)據(jù)平均較差為-1.569 m，這種差異不可能是高程異常殘差Δξ引起的，故可以判斷已知點成果不屬于1985國家高程基準(zhǔn)，后根據(jù)搜集的資料(兩高程系統(tǒng)的基面差值為-1.63 m)，判斷控制點成果中的高程系統(tǒng)為當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妗?/p>

表4 實例1的控制點計算高程與已知高程比較

5 結(jié)論

1)利用本文提出的高程獲取方法，高程殘差和外符合精度均小于5 cm，說明該方法不僅精度高，還可以有效鑒別已有成果的可用性，判別其高程系統(tǒng)的類型。

2)本文提出的控制點檢核方法只需一人攜帶一臺多頻接收機作業(yè)，可大幅提高作業(yè)效率，成本至少降低50%，從而達到快速檢核控制點精度和可用性的目的。

3)本方法可在水運工程的規(guī)劃或工程可行性研究階段直接使用，也可在初步設(shè)計或施工設(shè)計階段推廣使用，為水運工程高質(zhì)量建設(shè)提供技術(shù)保障。

4)控制點的高程精度除了受EGM2008模型精度影響外，還受移動網(wǎng)絡(luò)信號強度、千尋改正數(shù)精度、天線高量測精度等多種因素影響，為確保高程測量的精度，應(yīng)選擇衛(wèi)星遮擋少、網(wǎng)絡(luò)信號強的時段作業(yè)，并分時段采集多次觀測值取平均。

5)外業(yè)實施中，宜選帶支架的對中桿或架設(shè)三腳架采集數(shù)據(jù)，天線高取固定值或盡可能量取準(zhǔn)確。