湖泊形態特征測量方法及應用研究

夏清炳，田祥勇，謝俊峰，童春華

（湖北省黃岡市水文局，430071，黃岡）

全國第一次水利普查正在全面開展，河流湖泊普查十分必要。按照最 新 的 《水 道 觀 測 規 范 》（SL 257—2000）實測湖泊面積容積等形態特征，無疑是最標準的方法。但是由于《水道觀測規范》起草的時間距今已有10余年，受當時技術條件的限制，規范規定的水下測量方法，由于GPS—RTK作用距離的限制，難以解決大型湖泊平面定位和水面高程的精度問題。隨著測量新技術新儀器的發展，特別是全國部分省份測繪CORS網的建立開通，為湖泊形態特征測量提供了新途徑。

一、湖泊形態特征測量常規方法

按照《水道觀測規范》，湖泊形態特征測量常規方法，外業主要有平面控制測量、高程控制測量、水下地形測量和岸上地形測量，內業主要有地形圖成圖，各級水位（高程）相應的湖容、湖泊面積、湖泊特征值計算等。

1.平面控制測量

平面坐標系統一般采用1954北京坐標系或1980西安坐標系。每個湖泊附近最少需收集兩個國家GPS點作為平面控制的引據點。平面控制采用GPS靜態模式測量，按照《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB／T 18314—2009）施測。

2.高程控制測量

收集湖泊附近的國家和工程單位的水準點，等級不低于三等水準。高程控制測量的目的是提供控制點較高精度的高程數值，是GPS系統及水位觀測必需的基礎參數，要求按四等水準測量規范施測，高程系統采用1985國家高程基準。

設立水尺，引測水尺零點高程。對于大型湖泊或有明顯比降的湖泊，須設立多組水尺，每天同時觀測湖泊水位。

3.水下地形測量

水下測圖比例尺根據湖泊大小分別選擇不同的比例尺，一般為1∶2000～1∶25000。 水下地形測量采用RTK配數字化測深儀施測。測量完成后，使用測深儀數據處理軟件對所測原始數據進行合理化檢查、處理（包括原始測量數據編輯、水位觀測數據單站或多站水位改正等），生成.dat格式數據文件。

4.岸上地形測量

湖泊水面以上至堤頂（或歷年最高水位）陸地部分地形圖，比例尺大于1∶5000時應按照規范實測，其他比例尺可根據1∶10000湖泊周邊地形圖套繪。對于地形變化較大，高程與密度不足以控制地形轉折點的地區，加測高程點。

5.圖形合成

將水下測量數據、水邊測量數據和岸上測量數據同時展繪于圖上，應用成圖軟件合成湖泊地形全圖。

6.內業計算與分析

根據水下和岸上地形合成圖，應用成圖軟件按DTM數字建模。用三角網法計算各級水位相應的面積和湖容。填制水位（高程）—湖泊面積—湖容關系表，繪制水位—湖容、水位—面積曲線，計算平均水深，挑選湖泊特征值等。

二、常規方法的局限性

1.外業工作量大

湖泊周邊控制網需要通過GPS測量、水準高程引測。對于岸線地形復雜的地區，引測水準高程有相當的困難；對于湖汊較多、不規則的湖泊和大型湖泊，需要多次移動GPS基站。外業人員往返無效時間多，效率低。

2.水面高程實時改正難

規范方法獲取湖底高程的方式是用水位減去實測水深，因此在開展水下測量前，需要在湖泊設立水尺，觀測水位。對于大型湖泊或河道式湖泊，湖泊的水面不是一個平面，有的水面比降還很大，而且有的湖泊水面線不是線性變化。雖然設立多組水尺可以起到改正水面高程的作用，但內業處理量大，精度相對較差。

3.水面測量距離限制

眾所周知，GPS—RTK是有作用距離限制的，一般不超過10km。對于寬度大于20 km的湖泊，RTK的測量誤差是隨著距離的增加而加大的，超過一定距離，其精度不能滿足測量規范要求。

三、CORS系統技術簡介

CORS系統全稱為連續運行衛星定位服務系統（Continuously Operating Reference Stations System），可以定義為一個或若干個固定的、連續運行的GPS／GNSS參考站，利用現代計算機、數據通信和互聯網（LAN／WAN）技術組成的網絡，實時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶提供經過檢驗的不同類型的GPS觀測值 （載波相位，偽距），各種改正數、狀態信息，以及其他有關GPS服務項目的系統。CORS技術能全面取代常規大地測量控制網，全天候地支持各種類型GPS測量、定位、變形監測和放樣作業。目前湖北省網絡CORS已實現全省覆蓋，于2010年12月投入運行，所用參數均由湖北省測繪局CORS中心提供。HBCORS技術指標如表1。

采用CORS系統測量所得到是的WGS84等協議坐標系下的三維坐標信息。由于我國使用的是平面和高程測繪基準相分離的體系，平面采用國家坐標系（如國家1980直角坐標系）或城市獨立坐標系統，高程則采用的是正常高程系統 （1985國家高程基準），所以CORS網絡使用的好壞主要取決于CORS系統的平面坐標與高程系統的轉換問題。平面坐標轉換一般采用七參數或四參數求解，高程轉換通常可采用高程擬合方法（如平面擬合、曲面擬合），但對較大范圍或較高精度的高程轉換則必須通過近似大地水準面的精化確定才能求取 （故CORS測得數據一般要發給CORS中心解算，主要是因為高程轉換要通過近似大地水準面的精化來確定）。

CORS相對自設基站的RTK有諸多優點：①用戶不需要架設本地的參考站，從而避免架設參考站時帶來潛在的誤差；②不存在數據完整性的監控；③無需人員留守看護基準站，提高了生產效率；④解決了通信不便，特別是采用GPRS進行數據傳輸，解決了遠距離測量的通信問題；⑤不存在電源供給不足的問題；⑥無需進行首級控制靜態GPS測量和水準高程引測等。由此可見，CORS對湖泊測量特別是大湖測量優勢十分明顯。

四、CORS系統在湖泊測量中的應用

在湖泊測量中，通過接收CORS站所發射的差分信號進行快速實時三維定位。湖北省水文水資源局于2011年4—5月，采用湖北省測繪局全省網絡CORS對洪湖進行了湖容、面積測量。

洪湖是湖北省第一大湖，長約23.4 km，寬約20.8 km，常年水域面積約306km2。由于時值洪湖干旱期，水深只有0.6 m左右，又因不需要作控制測量和水準引測，所以本次測量人員僅8人，投入RTK4臺，測深儀未用，直接用RTK采集陸地和水下數據。將采集的數據直接在HBCORS網“在線服務系統個人中心”進行在線實時轉換，可以得到標準的平面坐標和高程數據，測量人員再根據實際情況及時進行內業整理。經過近30天的野外工作，按照1∶10000測圖規范，全面完成了洪湖430km2的外業測量任務。此次洪湖測量，比常規方法提高工效40%以上，同時節省大量人力和費用。

1.精度評價

（1）平面坐標系統

采用湖北省測繪局提供的洪湖地區七參數，對洪湖東、西、南三個湖北省GPSC級網點：黃蓬山GPS t706、柳關GPS t719、螺山鎮GPS t784進行校核，精度如表2。

由表2可見，采用湖北省CORS及七參數解算的平面坐標精度很高，應用于洪湖的平面定位測量完全滿足規范要求。

（2）高程系統

洪湖因面積較大，在沒有使用高程擬合參數情況下測得黃蓬山GPS t706、柳關 GPS t719、螺山鎮 GPS t784三點的高程差異值分別為15.949 m、17.679 m、16.671 m，將實測數據發回CORS中心解算后，三點高程相差值分別為-0.036 m、0.008 m、0.028 m。 另通過CORS對洪湖新堤閘水文站基本水準點和長委螺山水文站兩個校核點進行校核，經CORS中心進行解算后的高程差值為長委校21：-0.0175 m。長委校24：0.0297m。新堤水文站校1：-0.069m。這表明RTK實測高程經過CORS中心解算后，精度可靠，完全滿足湖泊測量技術要求。

表1 HBCORS技術指標

表2 洪湖地區坐標精度

因此，如采用RTK配測深儀實測湖底高程時，用RTK實測水面高程（解算后）減去測深儀同步水深，即得湖底高程，免去了水位、比降等改正環節。

2.關于高程改正問題

目前測繪部門給定的CORS網7個改正參數都是針對平面改正的，涉及高程改正的問題經與湖北省測繪局CORS中心聯系，對高程改正提出以下解決方案：

①小范圍的，可以通過常數改正方法。面積在2～3km2范圍內，采用已知點高程校測，求出常數，用于改正。

②范圍較大的，應該把周圍有代表性的點校測改正擬合后進行改正。將湖泊周邊有代表性的已知點校測，求得改正關系進行擬合，用擬合的函數關系進行實時改正。

③將每天測量的實測數據在HBCORS網 “在線服務系統個人中心”進行實時在線轉換，很快能得出正確高程數據。

④把大的范圍分解成小范圍，每個小的區域進行常數改正。

熟悉解算方法以后，可以自求高程改正參數。平面擬合參數解算要求測區必須有3個以上已知高程控制點，曲面擬合參數必須有6個以上已知高程控制點，曲面擬合參數換算高程系統精度較高，但要求控制點較多。洪湖測量進行了自求參數與CORS中心解算進行比較，精度也均在厘米級之內。

五、湖泊測量中有關問題的解決方法

1.湖泊測量的重點

主要是水深測量和湖泊邊界線的測定。湖泊近岸帶、湖底突變處要精測。如采用測深儀施測，測點距離設置不能按規范取值，宜設置較小點距，內業數據整理時據實際地形再作刪減；交通條件允許時，應用RTK沿湖采集水邊線和岸線數據。交通不便時，可在船上用激光測距儀輔助采集相關數據。

2.水草區的測量

東中部地區的湖泊多有水草，特別是春夏季，水草密布，幾乎覆蓋湖底，測深儀所測水深不是實際水深，目前只能用測深桿測深。水草稀疏區，在秋冬季節水草枯萎期用測深儀施測時，必須用測深桿作校核。

3.高程系統考證

對于設立了水位站的湖泊，應考證湖泊歷史水位高程系統與本次測量所采用的高程系統的差值常數。有多個水位站的，由于湖泊水面并非平面，還需要建立本次測量的高程系統與各個水位站高程系統的關系，以方便實際工作中應用。

4.測深質量檢查

水深測量需分區域抽查測深精度，檢查整體測深情況。

5.內業計算

湖容是湖泊最重要的特征之一，其計算方法正確與否，直接關系到成果質量高低。湖容計算成果要求用兩種以上方法計算，相互校核。基本方法為三角網法，校核方法有等高線法、斷面法、方格網法等。

[1]王洪道，等.中國的湖泊[M].北京：商務印書館，1995.

[2]水道觀測規范[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

[3]李朝奎，李愛國.工程測量學[M].長沙：中南大學出版社，2009.