基于河道水域與陸域地形量測的技術研究

劉立杰

(綏中縣水利事務服務中心，遼寧 葫蘆島 125200)

1 點位選擇

遵循以下原則合理選擇控制點點位：安裝與操作接收設備方便，視場范圍內(nèi)測物高度角不大于15°；距離大功率無線電發(fā)射源不少于200 m，距離無線電傳輸通道與高壓電線不少于50 m；周邊無信號反射強烈的構件，且能夠聯(lián)測或擴展其他測量技術；地面基礎穩(wěn)定符合長期保存標識的要求，合理利用已有控制點；為減少氣象元素的代表性誤差應盡可能使周邊的大環(huán)境與測站附近的局部環(huán)境一致，如植被、地貌和地形等。

(1)GNSS靜態(tài)相對定位測量。選擇控制網(wǎng)等級E級和GNSS靜態(tài)相對定位測量實現(xiàn)河道地形測量，控制網(wǎng)主要有約束平差后最弱邊相對中誤差、比例誤差系數(shù)、固定誤差、平均邊長等技術指標，控制最弱邊相對中補差不超過1/20000。作業(yè)基本技術要求包括觀測時段數(shù)與時段長、衛(wèi)星高度截至角、觀測衛(wèi)星數(shù)等，以GPS網(wǎng)總點數(shù)中二次設站點數(shù)百分比作為最低觀測時段數(shù)。

一般選用經(jīng)評定的商用軟件對靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行后處理，計算過程主要有約束網(wǎng)平差、無約束網(wǎng)平差和基線解算等內(nèi)容，改正數(shù)、較差絕對值、坐標分量閉合差等參數(shù)應符合規(guī)范要求。

(2)GNSS實時動態(tài)定位測量。一般有單基站RTK和網(wǎng)絡RTK兩種GNSS實時動態(tài)定位測量方式，其中用戶以單基站RTK實時動態(tài)定位測量時需要一臺流動站、一臺基準站和兩臺GNSS接收機，基準站至流動站的距離與流動站坐標測量精度有關，各類誤差在二者距離較近時保持同向，差分后具有較高的精度，各類誤差在二者距離較遠時不同向，其點位精度較低，一般控制基準站與流動站之間的距離不超過5 km。

以持續(xù)顯示固定解作為GNSS實時動態(tài)定位測量開始觀測時點，各點必須獨立初始化兩次，且每次采集兩組，采集時間間隔不應低于10″，控制成果可以取4組數(shù)據(jù)的平均值或其中任一組數(shù)據(jù)。

2 測量方法

2.1 水域量測方法

綜合考慮水流速度、水深及河道寬度合理選擇河道整治工程水域地形測量方法。一般測探儀無驗潮作業(yè)+GNSS實時動態(tài)測量模式適用于大深河道，而GNSS實時動態(tài)測量水位點三維坐標法和測深桿+斷面索作業(yè)模式適用于窄淺河道，然而受人為作業(yè)及流速難以避免的誤差影響，利用GNSS實時動態(tài)測量時通常水深點高程誤差偏高。針對以上3種方法，采用回聲測深儀與GNSS實時動態(tài)測量無驗潮水深具有較高的精度，回聲測深儀水深測量和GNSS實時動態(tài)測量均可影響其精度。

單基站RTK測量及網(wǎng)絡RTK測量是GNSS實時動態(tài)測量的兩種方式，為保證高程成果的高精度兩者必須求解區(qū)域七參數(shù)，控制各重合點平面、高程轉換殘差不超過2.0cm和2.5cm。附近參考站至網(wǎng)絡虛擬發(fā)送的差分數(shù)據(jù)被流動站獲取后，利用網(wǎng)絡RTK測量測點的高精度三維坐標，各測點三維坐標在測區(qū)內(nèi)應均勻分布，雖然該技術需付費使用，但在實際工程中的應用日趨廣泛；基準站發(fā)送的衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘鐘差、對流層延遲、電離層延遲等差分數(shù)據(jù)，由單基站RTK流動站接受后即可測點的高精度三維坐標，通常由電臺提供數(shù)據(jù)通信鏈路，為保證通訊順暢電臺一般架設在高點，流動站至基準站的距離與其測量精度直接相關，距離越遠則測量精度越低，距離較近情況下基準站與流動站的各類誤差相差不大，經(jīng)差分即可確定測點三維坐標。

采用回聲測深儀測量水深前，應合理設置換能器與GNSS接收機中心偏差改正、聲速、吃水深、天線高、投影參數(shù)等，其中投影設置主要是水面高程、水深點高程及其坐標，對比水深測量成果與實際水面高程判定其可靠度與精準性。將量取的GNSS天線高數(shù)據(jù)輸入測深儀，鑒于不同類型的GNSS接收機改正值不同且測深儀往往沒有天線高固定差改正功能，正確的天線高宜按照量取的天線高及正確的水面高程精準計算，較正確的天線高直接輸入量取的天線高低8～12 cm，這顯著影響著水深點高程成果。換能器的持水設置要考慮邊坡測量時淺水區(qū)域覆蓋及水深測量全過程的安全，測量過程中控制水深不超過30～50 cm，若吃水過淺極易造成部分數(shù)據(jù)的丟失和船舶轉彎時出現(xiàn)假水深。一般地，可通過比對塔或板尺量取的實際水深獲取河道內(nèi)的聲速值，大多位于地勢平坦區(qū)，利用導航軟件完成相應的計算，一般河道內(nèi)水深不大于5 m，聲速值誤差并非引起水深誤差的主要因子；采用大型船舶測量時設置轉能器與GNSS接收機中心偏差改正，對于河道測量應用較少，該過程主要是改正水深點平面位置。在水深測量時測量船應保持勻速航行，控制速度處于6～8節(jié)，船速過快易導致?lián)Q能器不能在測量位置正下方，即沿航向船體發(fā)生傾斜，使得最終的水深測量數(shù)據(jù)整體偏高。

2.2 陸域量測

一般以河口線外10～20 m至駁岸作為河道整治工程陸域測繪區(qū)間，量測內(nèi)容主要有雨污排放口、綠化、圍墻、涵洞、橋梁、碼頭、駁岸、兩岸建筑物、防汛通道，以及管線設施等，測量地形特征點高程、地物位置及尺寸，為保證水域與陸域接邊精度應開展接邊測量。

電磁波測距三角高程法+全站儀極坐標法是陸域測量的常用方法，可測定地物的高程和地方坐標，該方法具有測量精度高、環(huán)境要求低等優(yōu)勢，但作業(yè)效率相對較低，一般需要兩名及以上技術人員。采用GNSS實時動態(tài)測量法可直接測定電磁干擾少、周邊高層建筑少的地形地物點三維坐標，區(qū)域空間轉換七參數(shù)必須在該方法使用前期就獲取，正式開始測量前要對未參與解算的至少2個控制點三維坐標進行驗證，控制高程較差、平面坐標較差不超過3cm和2cm，對于無法獲取固定解(GNSS信號不良)的情況，對底細地物點三維作用宜選用全站儀測量。

近年來，隨著科技的快速發(fā)展，無人機傾斜攝影測量技術被越來越多的應用于1∶500、1∶1000等大比例尺測圖項目，在技術人員難以達到、植被覆蓋少、測區(qū)面積大的區(qū)域其優(yōu)勢明顯，具有受干擾因素少、數(shù)據(jù)采集直觀、勞動強度低、作業(yè)效率高、精準度高，以及全面性好等優(yōu)點。一般河道整治項目線路長，其分布形式大多呈帶狀，傳統(tǒng)的人工測量作業(yè)效率低、耗時耗力，并且有的測區(qū)很難進入施測，無人機傾斜攝影測量技術對全面測繪測區(qū)地形具有重要意義，大大提高了外業(yè)作業(yè)效率，有效彌補了人工難以施測的缺陷。然而，在實際測量過程中傾斜攝影技術還存在一定缺陷，主要體現(xiàn)在以下幾點：①考慮飛行安全及荷載限制，無人機傾斜攝影尚存在電池續(xù)航能力的技術壁壘；②模擬地物地貌表面全自動建模時，房屋遮擋和植被覆蓋等區(qū)域容易產(chǎn)生模型扭曲變形；③無法全自動提取地形要素，人工輔助識別易出現(xiàn)漏判或誤判。因此，全面踏勘測區(qū)并制定相應的測量方案是采用無人機傾斜測量技術測繪河道整治工程的基本要求。

2.3 測量控制

(1) 高程控制。軟土地區(qū)和地質條件較好地區(qū)的河道高程控制水準測量宜選用附合水準線路、閉合水準線路，其觀測等級不應低于4級。城市等級水準點周邊的市政建設以及軟土地區(qū)地面沉降量較大時，對穩(wěn)定性會造成影響，水準路線必須附合在兩個已有水準點上以保證已有水準點成果的可靠性。閉合水準環(huán)布設時選擇的已有水準點為1個時，必須校核該控制點的穩(wěn)定性。

似大地水準面凈化模型現(xiàn)已在大部分城市建設完成，可以直接將網(wǎng)絡實時動態(tài)定位或GNSS靜態(tài)相對定位測量獲取的大地高轉變成正常高，一般其高程精度可以達到高程控制量測標準。測區(qū)內(nèi)往往采集3個以上等級水準點大地高以保證成果的可靠度及其準確性，對比分析已知高程與凈化后的高程，若較差超過5cm則代表似大地水準面精度可以達到測量凈化水平。

(2) 高程轉換。目前，常見的有武測模型、莫洛金斯基以及布爾沙三種空間直角坐標系轉換模型，在轉換形式上雖然有所差異，但轉換精度相差不大，由于都有1個尺度參數(shù)、3個旋轉參數(shù)、3個平移參數(shù)又統(tǒng)稱為七參數(shù)轉換模型[1-2]。

七參數(shù)求解時要求測量的重合點數(shù)不少于3個，一般地形測量項目的兩對三維坐標包括地方平面坐標與高程、某地球框架下的大地高H以及大地經(jīng)度L與緯度B?？梢赃x用城市CORS定位技術或GNSS靜態(tài)定位測量獲取地方平面坐標，通過城市等級水準點聯(lián)測幾何水準測量獲取地方高程。通過網(wǎng)絡RTK或單基站RTK獲取重合點的大地坐標，現(xiàn)階段可選擇的網(wǎng)絡RTK較多，基于參考歷元及特定橢球框架華測、千尋位置、城市CORS網(wǎng)等均建立了定位網(wǎng)絡，重合點大地坐標利用單基站采集時基準站與流動站之間的距離宜控制在3 km以內(nèi)。若個別重合點轉換后的殘差超限，應剔除該重合點補充新的重合點或重新采集其兩對坐標，同時保證重合點能夠覆蓋整個測區(qū)且分布均勻。

3個旋轉與3個平移參數(shù)是空間坐標轉換的基礎，考慮到不同尺度的差異性引入1個尺度變化參數(shù)k，兩種基準下的空間坐標轉換見式(1)：

(1)

式中：εX、εY、εZ為3個旋轉參數(shù)；ΔX0、ΔY0、ΔZ0為3個平移參數(shù)，兩種坐標系之間的關系如圖1。

圖1 七參數(shù)轉換模型

3 實例應用

3.1 工程概況

某河道險工險段治理工程險工段總長1620 m。項目測量內(nèi)容主要有修測河道河口線兩側各界定范圍地形圖和1∶500帶狀地形圖，測量河道斷面，每50 m沿河道規(guī)劃中線測一個斷面，水上和水下分別按地形特征點、1.0～2.0 m間距測量[3-9]。

完成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及外業(yè)測量作業(yè)后對測繪成果立即實施質量檢查，一般分為過程檢查(由作業(yè)部門實施)和最終檢查(由公司質檢部實施)。過程檢查和最終檢查均可選用全數(shù)檢查，對于涉及碎步點測量成果、控制測量成果等野外檢查項時，按行業(yè)及國家標準確定檢查比例實行抽樣檢查。

3.2 成果檢驗

可以采用相同的方法檢核GNSS實時動態(tài)定位法測量的平面控制成果，通常在隔日或鄰近收測時安排檢核工作，成果坐標與檢核坐標較差不宜超過30 mm。將坐標、角度及邊長利用全站儀檢核時，相應的誤差應滿足有關規(guī)范要求。陸域地形碎步測量采用的技術方法應與碎步點檢核測量方法保持一致，相差不宜超過10%，三維坐標較差校核必須符合有關要求。一般利用縱橫斷面交叉點水深較差檢核水下地形水深成果觀測質量，主測深線應與測深檢查線保持垂直，以超過主測深線的5%作為單波束檢查線最低長度，縱橫斷面測點與有效檢核點間距不得超過圖上1 mm。完成檢核后，對成果中誤差M進行統(tǒng)計，采用式(2)完成同精度檢測，即：

(2)

式中：Δi為檢測較差；n為檢測點數(shù)。

采用GNSS實時動態(tài)測量法采集項目控制點平面坐標，利用四等幾何水準測量高程，其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪項目檢核15點，檢核比例30%，采集控制點50點，最大檢核點位較差16 mm；農(nóng)田防護項目檢核20點，檢核比例25%，采集控制點76點，最大檢核點位較差為15 mm。采集完成控制點兩套坐標后，分別求解鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪和農(nóng)田防護兩個區(qū)域的七參數(shù)，平面、高程轉換殘差均低于15 mm和10 mm，保證了轉換成果精度。

該河道整治項目線路較長，工期要求緊且沿河兩岸植被茂盛。綜合考慮環(huán)境條件和項目特點對陸域地形選擇3種測量模式：采用無人機傾斜攝影技術測量植被覆蓋較少、地形開闊的區(qū)域，采用GNSS實時動態(tài)模式直接測定網(wǎng)絡信號良好但有一定植被覆蓋區(qū)域的地形地物點三維坐標，采用電磁波測距三角高程法+全站儀極坐標測定網(wǎng)絡信號不良且植被覆蓋明顯區(qū)域的地形地物點三維坐標?？紤]水域環(huán)境和地形特點擬對水域地形選擇2種測量模式：采用回聲探深儀聯(lián)合作業(yè)無驗潮模式+GNSS實時動態(tài)模式測量大深河道，采用探深桿+斷面索人工作業(yè)模式測試窄淺河道。處理完成項目內(nèi)業(yè)后校核地形高程成果，對比DLG線劃圖相應特征點與人工觀測特征檢核點，最大高程較差10.2 cm及其中誤差±3.8 cm，能夠達到1∶500地形圖測繪精度要求。

4 結 論

(1)河道地形具有特殊性、復雜性特征，在水域與陸域地形測量時要考慮作業(yè)效率、成果精度等因素選擇合適的方法，完成外業(yè)測量后還要多次重復觀測足夠數(shù)量的地形特征點，按照既有成果與檢核成果較差完成測量中誤差計算，通過各類技術手段科學評價作業(yè)質量。

(2)此外，無人機傾斜攝影測量技術具有成果表達內(nèi)容豐富、作業(yè)效率等特點，比較適用于地形開闊區(qū)域的地形測量。在生成項目DLG線劃圖成果和1∶500大比例測繪圖后，人工采集特征點三維坐標計算高程較差，統(tǒng)計測量中誤差特別是高程中誤差，這也是提高無人機測量測圖的必然要求。