四川省水文(位)站高程基準(zhǔn)統(tǒng)一實(shí)踐分析

胡道科,扈亞琴

(四川省水文水資源勘測(cè)中心,成都 610036)

1 基本情況

1.1 項(xiàng)目概況

四川省水文系統(tǒng)各類水文(位)站點(diǎn)共664個(gè),長(zhǎng)期以來(lái)水位基準(zhǔn)多采用黃海、吳淞、假定等不同的高程系統(tǒng),導(dǎo)致流域內(nèi)上下游水位無(wú)法直接比較使用,嚴(yán)重影響水文監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)、防汛減災(zāi)及水資源管理等工作。本項(xiàng)目結(jié)合四川省水利廳組織開展的全省水旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查工作,將四川省水文系統(tǒng)的水文(位)站通過高程測(cè)量統(tǒng)一到1985國(guó)家高程系統(tǒng)。

1.2 測(cè)區(qū)概況

四川省位于中國(guó)大陸地勢(shì)第一級(jí)青藏高原和第三級(jí)長(zhǎng)江中下游平原的過渡帶,西高東低,地貌復(fù)雜。西部為高原、山地,海拔多在3 000 m以上;東部為盆地、丘陵,海拔多在500～2 000 m。

四川省河流眾多,以長(zhǎng)江水系為主,流域面積100 km2以上的河流有1 368條,流域面積500 km2以上的河流285條,流域面積10 000 km2以上的河流有20條,除西北部的白河、黑河由南向北注入黃河外,其余均屬長(zhǎng)江水系[1]。東部盆地區(qū)主要河流有岷江、青衣江、沱江、涪江、嘉陵江、渠江;西部高原和高山峽谷區(qū)主要河流有大渡河、雅礱江、金沙江及安寧河。

川西北高原高山地區(qū)由于地形條件惡劣,干線公路技術(shù)等級(jí)低,路網(wǎng)稀疏,路況較差,落石滑坡路段多,通行安全隱患較大。本項(xiàng)目中三州地區(qū)的水文(位)站點(diǎn)數(shù)量占全省總量的1/4,點(diǎn)間距離遠(yuǎn),點(diǎn)位觀測(cè)條件差,實(shí)施難度高,通行時(shí)間和費(fèi)用成本高,是整個(gè)項(xiàng)目的困難點(diǎn)。四川盆地、川東和川南地區(qū)高速、國(guó)道、省道、縣道、村村通等路網(wǎng)完善,路況條件較好,外業(yè)觀測(cè)效率相對(duì)川西較高。

2 工作內(nèi)容

收集全省水文系統(tǒng)664個(gè)水文(位)站的基本信息,對(duì)GNSS[2]外業(yè)靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)和SCCORS同時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)測(cè)解算獲取水文(位)站水準(zhǔn)點(diǎn)的CGCS2000平面坐標(biāo)和大地高,利用四川省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)(SCCORS)[3]的似大地水準(zhǔn)面精化模型[4]將水準(zhǔn)點(diǎn)的大地高擬合為1985基準(zhǔn)高程,實(shí)現(xiàn)全省664個(gè)水文(位)站水準(zhǔn)點(diǎn)高程系統(tǒng)統(tǒng)一到1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

3 基準(zhǔn)與精度指標(biāo)

3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)

坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系統(tǒng)。

表1 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系橢球參數(shù)

3.2 高程基準(zhǔn)

高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn),高程轉(zhuǎn)換利用SCCORS系統(tǒng)似大地水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行擬合轉(zhuǎn)換。擬合精度見圖1。

圖1 四川似大地水準(zhǔn)面擬合精度

3.3 時(shí)間基準(zhǔn)

GNSS觀測(cè)采用協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC),外業(yè)觀測(cè)記錄采用北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(BST)。

3.4 聯(lián)測(cè)基準(zhǔn)站

根據(jù)四川省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)(SCCORS)186個(gè)基準(zhǔn)站作為本次項(xiàng)目平面控制和高程統(tǒng)一的起算點(diǎn)。

CORS系統(tǒng)是連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(Continuously Operating Reference Stations),即由一個(gè)或若干個(gè)固定的24 h連續(xù)運(yùn)行的GNSS基準(zhǔn)站,利用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通訊和互聯(lián)網(wǎng)(LAN/WAN)技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)地向不同類型、不同層次的用戶提供經(jīng)過檢驗(yàn)的不同類型的GNSS觀測(cè)值、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息及其他有關(guān)GNSS服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng)[5]。目前四川省已基本建成186個(gè)兼容北斗的多模衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站(SCCORS系統(tǒng)),能夠?yàn)槿√峁┛煽亢透咝У目臻g位置靜態(tài)和動(dòng)態(tài)服務(wù),滿足用戶對(duì)高精度、穩(wěn)定、連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)需求。

3.5 主要精度指標(biāo)

GNSS控制網(wǎng)測(cè)量精度指標(biāo)達(dá)到E級(jí)標(biāo)準(zhǔn),滿足表2要求。

表2 GNSS控制網(wǎng)測(cè)量精度指標(biāo)要求

4 項(xiàng)目實(shí)施

4.1 測(cè)量方案的比較選取

在項(xiàng)目實(shí)施之前,項(xiàng)目組提前搜集了全省水文系統(tǒng)的664個(gè)水文(位)站點(diǎn)基礎(chǔ)信息、664個(gè)站點(diǎn)的分布狀況,各測(cè)區(qū)的地形、氣候、交通等資料。省水文系統(tǒng)水文(位)站點(diǎn)數(shù)量眾多,分散在全省21個(gè)市(州),甘孜、阿壩、涼山等地區(qū)交通條件困難,且大部分站點(diǎn)距離國(guó)家基本水準(zhǔn)點(diǎn)距離較遠(yuǎn),采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)、花費(fèi)人力物力巨大。經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS靜態(tài)測(cè)量、GNSS RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量、基于SCCORS系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量等方案進(jìn)行綜合比較分析,采用基于SCCORS系統(tǒng)的靜態(tài)擬合測(cè)量方案最優(yōu),測(cè)量精度較高,測(cè)量方式靈活,不受地域、起算點(diǎn)等因素影響,測(cè)量效率高,經(jīng)濟(jì)成本低。最終,確定全省水文系統(tǒng)664個(gè)水文(位)站高程統(tǒng)一工作采用基于SCCORS系統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)量方式。各測(cè)量方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照見表3。

表3 各測(cè)量方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照

4.2 技術(shù)路線

項(xiàng)目組根據(jù)SCCORS已有基準(zhǔn)站及施測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)的分布位置、與參考站之間的距離、地形高差對(duì)觀測(cè)精度的影響因素,及似大地水準(zhǔn)面精化成果在不同測(cè)區(qū)精度指標(biāo)的差異,確定相應(yīng)站點(diǎn)GNSS觀測(cè)時(shí)長(zhǎng),最大可能提升數(shù)據(jù)精度。在川西北高原高山地區(qū),由于地勢(shì)起伏大,CORS基準(zhǔn)站分布較少,基線距離長(zhǎng),外業(yè)觀測(cè)參照D級(jí)控制網(wǎng)要求執(zhí)行(甘孜州、阿壩州、涼山州和綿陽(yáng)西北部地區(qū)),四川盆地和川東地區(qū)參照E級(jí)控制網(wǎng)要求執(zhí)行外業(yè)觀測(cè)作業(yè),靜態(tài)觀測(cè)采集GPS+BDS衛(wèi)星數(shù)據(jù)聯(lián)合處理,內(nèi)業(yè)參照E級(jí)控制網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。

四川省水文系統(tǒng)的水文(位)站已建成的水準(zhǔn)點(diǎn)部分位于站房墻角、河堤、坎下、樹林等不利于GNSS觀測(cè)的位置,此類水準(zhǔn)點(diǎn)的85基準(zhǔn)高程值的確認(rèn)通過在附近選擇開闊地帶設(shè)置臨時(shí)GNSS觀測(cè)點(diǎn),通過基于SCCORS系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量方式觀測(cè)并解算得到臨時(shí)觀測(cè)點(diǎn)85基準(zhǔn)高程值,再采用三等水準(zhǔn)測(cè)量方式將臨時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的85基準(zhǔn)高程值引測(cè)到水準(zhǔn)點(diǎn)從而得到水準(zhǔn)點(diǎn)85基準(zhǔn)高程值。項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)路線見圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

5 質(zhì)量控制及評(píng)定

5.1 內(nèi)業(yè)解算

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后, 自然資源部第三大地測(cè)量隊(duì) CORS 中心解算人員聯(lián)合各觀測(cè)點(diǎn)的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)與周邊SCCORS 基準(zhǔn)站的同步數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的基線解算、平面和高程約束網(wǎng)平差、精度評(píng)定、85高程轉(zhuǎn)換、輸出解算報(bào)告和高程成果表。根據(jù)解算報(bào)告進(jìn)行精度評(píng)定,對(duì)中誤差超限的觀測(cè)點(diǎn),根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和現(xiàn)場(chǎng)情況判定原因(如周圍有植被或建筑遮擋、高壓線、信號(hào)塔等電磁干擾等),確定原因后避開干擾源重新選擇觀測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行復(fù)測(cè)。

5.2 外業(yè)校測(cè)

在外業(yè)觀測(cè)及內(nèi)業(yè)解算工作結(jié)束后,項(xiàng)目組隨機(jī)抽取了漢王場(chǎng)(二)、高景關(guān)(四)、和平、街子4個(gè)水文站的水準(zhǔn)點(diǎn),采用基于SCCORS系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量方式,延長(zhǎng)靜態(tài)測(cè)量觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)對(duì)該4個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè),解算出85高程值作對(duì)比(如表4)。經(jīng)過對(duì)比驗(yàn)證,原觀測(cè)成果可靠,可以采用。

表4 水準(zhǔn)點(diǎn)校測(cè)結(jié)果比較

5.3 外業(yè)RTK大地高檢查及水準(zhǔn)測(cè)量高差核對(duì)

在自然資源部第三大地測(cè)量隊(duì)CORS中心完成GNSS成果解算后,地區(qū)水文中心將計(jì)算得出的水準(zhǔn)點(diǎn)高程成果整理復(fù)核,并使用RTK到水文(位)站現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)核對(duì)成果表中高程點(diǎn)、臨時(shí)點(diǎn)大地高程值及水準(zhǔn)觀測(cè)高差值。在檢查、復(fù)核設(shè)有臨時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)現(xiàn)部分點(diǎn)位在三等水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)未按要求從高程點(diǎn)往臨時(shí)點(diǎn)進(jìn)行返測(cè),導(dǎo)致高差值正負(fù)號(hào)記反,地區(qū)水文中心組織逐個(gè)核查522個(gè)設(shè)置有臨時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的《水準(zhǔn)測(cè)量記錄表》數(shù)據(jù),對(duì)有誤數(shù)據(jù)全部做了校正。

5.4 成果質(zhì)量評(píng)價(jià)

除G689外,所有相鄰點(diǎn)基線垂直分量中誤差都≤限差±40 mm,滿足E級(jí)網(wǎng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)(見表5)。點(diǎn)位平均高度誤差0.028 6 m,最弱高度誤差0.107 m,最優(yōu)高度誤差0.007 m。

表5 各市州整體數(shù)據(jù)相鄰點(diǎn)基線垂直分量中誤差及限差

本次水文(位)站高程統(tǒng)一測(cè)量技術(shù)路線正確,成果資料齊全,數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)基本滿足《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》(SL 197-2013)要求,可滿足四川省防汛減災(zāi)、水資源管理等工作需要。

6 結(jié)語(yǔ)

四川省水文(位)站點(diǎn)數(shù)量眾多,分布范圍廣,且大部分距離國(guó)家基本水準(zhǔn)網(wǎng)較遠(yuǎn),采用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量方法雖然精度高,但存在工作量大、資金投入大、人力成本高、時(shí)間周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。SCCORS系統(tǒng)由最初的建立到逐步加密,逐步優(yōu)化精化模型,已能夠?yàn)槿√峁┛煽壳腋咝У目臻g位置動(dòng)態(tài)和靜態(tài)服務(wù)。

本次四川省水文系統(tǒng)664個(gè)水文(位)站點(diǎn)高程統(tǒng)一工作采用GNSS聯(lián)測(cè)SCCORS基準(zhǔn)站,再結(jié)合似大地水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行高程擬合轉(zhuǎn)換得到水文(位)站85高程的工作方式節(jié)約了項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間,減少了資金和人力成本,為防汛減災(zāi)、水資源管理提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。