“AHCORS”在國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程建設(shè)中的應(yīng)用研究

儲(chǔ)修林

（安徽省地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)院，安徽合肥 230022）

0 前言

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）相關(guān)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟，在大地測(cè)量、工程測(cè)量、自然資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)等各個(gè)測(cè)繪領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，尤其是在平面位置和高程測(cè)定中的應(yīng)用，利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的CORS系統(tǒng)已成為當(dāng)前GNSS技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。本文通過介紹國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程（安徽省部分）地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)土建工程（以下簡(jiǎn)稱“地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)工程”）中測(cè)量項(xiàng)目實(shí)施情況，闡述了利用“安徽省衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)”（以下簡(jiǎn)稱“AHCORS”）解決常規(guī)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量要求的應(yīng)用研究。

1 “AHCORS”簡(jiǎn)介

AHCORS是集成了GNSS、移動(dòng)通訊、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、軟件工程等技術(shù)的省級(jí)連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括63個(gè)基準(zhǔn)站，1個(gè)控制中心、2個(gè)數(shù)據(jù)中心和高可靠數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，在安徽省建立了與國(guó)家CGCS2000坐標(biāo)系相一致的大地基準(zhǔn)。其通過“安徽省現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)研究和建設(shè)”形成的高精度省級(jí)似大地水準(zhǔn)面，建成了實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、地心、高精度的現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅向測(cè)繪用戶提供統(tǒng)一的、動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的、高精度的時(shí)間和空間基準(zhǔn)，還可以向安徽省全境范圍內(nèi)的不同類型、不同需求、不同層次的用戶實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)、亞米級(jí)和事后毫米級(jí)的定位服務(wù)。是“數(shù)字江淮”的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是安徽省一項(xiàng)重要的地理空間框架和平臺(tái)。

2 項(xiàng)目概況

“地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)工程”由國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)批準(zhǔn)建設(shè)，中央財(cái)政投資，項(xiàng)目業(yè)主為中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院。安徽省在16個(gè)省轄市域內(nèi)共建設(shè)370個(gè)地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱“監(jiān)測(cè)站點(diǎn)”），要求對(duì)所有“監(jiān)測(cè)站點(diǎn)”進(jìn)行D級(jí)GPS觀測(cè)精度的平面坐標(biāo)測(cè)量、四等水準(zhǔn)觀測(cè)精度的高程測(cè)量以及水準(zhǔn)點(diǎn)建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)全省“監(jiān)測(cè)站點(diǎn)”具有統(tǒng)一基準(zhǔn)的高精度坐標(biāo)和高程，為今后持續(xù)、不間斷監(jiān)測(cè)提供測(cè)量基準(zhǔn)。

3 項(xiàng)目技術(shù)路線與實(shí)施

3.1 平面坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)的建設(shè)監(jiān)測(cè)井分布來(lái)看，大部分監(jiān)測(cè)井都是成井群建設(shè)，井孔與井孔之間距離較短（幾米到幾十米不等），GPS區(qū)域布網(wǎng)聯(lián)測(cè)可行性不高，而且根據(jù)C級(jí)及以上GPS已知點(diǎn)普查情況分析，無(wú)法實(shí)現(xiàn)每處井孔聯(lián)測(cè)3個(gè)C級(jí)GPS及以上控制點(diǎn)。根據(jù)全省地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)際建設(shè)分布情況以及GPS測(cè)量觀測(cè)條件，本項(xiàng)目坐標(biāo)測(cè)量采用兩種方法。一是對(duì)無(wú)法采用GPS觀測(cè)的少部分坐落于居民房屋邊或稠密的樹林中的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，先采用GPS測(cè)量在監(jiān)測(cè)站附近且與其通視的地方測(cè)定一組相互通視的D級(jí)GPS點(diǎn)（一般在幾米內(nèi)）作為起算點(diǎn)，然后采用一級(jí)支導(dǎo)線方法測(cè)定監(jiān)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)。

另外，對(duì)滿足GPS觀測(cè)條件的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，采用雙頻GNSS接收機(jī)，按D級(jí)GPS精度進(jìn)行觀測(cè)，單點(diǎn)靜態(tài)定位獨(dú)立觀測(cè)時(shí)間不少于60min，然后所有GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)由“AHCORS運(yùn)維中心”按D級(jí)GPS精度控制網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)并解算。AHCORS運(yùn)維中心根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)位分布及觀測(cè)時(shí)間和時(shí)間段，選取一定數(shù)量的“AHCORS”24h連續(xù)運(yùn)行站點(diǎn)組成同步觀測(cè)網(wǎng)，利用TEQC軟件分析原始GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)結(jié)果的分析來(lái)判斷外業(yè)觀測(cè)是否滿足規(guī)范要求，最后采用GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線解算，約束平差解算出坐標(biāo)成果，測(cè)定監(jiān)測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2 D級(jí)GPS測(cè)量布設(shè)及施測(cè)

地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)D級(jí)GPS測(cè)量對(duì)388個(gè)地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)和過渡點(diǎn)按D級(jí)GPS精度進(jìn)行野外觀測(cè)，單點(diǎn)靜態(tài)定位獨(dú)立觀測(cè)時(shí)間不少于60min，然后在內(nèi)業(yè)通過“AHCORS”鄰近基準(zhǔn)站點(diǎn)和野外觀測(cè)點(diǎn)共同形成GPS同步觀測(cè)條件，從而組成同步觀測(cè)GPS網(wǎng)進(jìn)行同步解算。

利用TEQC軟件對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的GPS網(wǎng)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)從以下三個(gè)方面進(jìn)行分析:

（1）觀測(cè)數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范要求；

（2）統(tǒng)計(jì)各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)完好觀測(cè)值比例；

（3）數(shù)據(jù)多路徑。

分析結(jié)果：本項(xiàng)目所有點(diǎn)位觀測(cè)的平均時(shí)段為1.9h，采樣間隔為15s，數(shù)據(jù)完好觀測(cè)值比例均大于85%，平均值為95%。根據(jù)TEQC的計(jì)算成果，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的MP1和MP2均小于0.5m，平均值（偽距平滑前）分別為0.24m、0.23m，外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)合格。

解算中，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布于全省各地，點(diǎn)位較為分散，多數(shù)采用了單點(diǎn)解算的模式進(jìn)行。對(duì)于每個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，根據(jù)其坐落位置，在其周圍一定范圍內(nèi)選取4～5個(gè)以上的AHCORS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，組成同步觀測(cè)GPS網(wǎng)進(jìn)行同步解算，如圖1所示。

圖1 同步觀測(cè)組網(wǎng)示意圖Figure 1．Schematic diagram of synchronous observation network

本項(xiàng)目解算基線形成同步環(huán)2488個(gè)，最長(zhǎng)基線為79740.4952m，最短基線為3001.1153m。形成的三角形同步環(huán)2146個(gè)，同步環(huán)閉合差最大值1.18×10-6。基線解算結(jié)果的中誤差如圖2所示。由圖可知，監(jiān)測(cè)站網(wǎng)基線解算的中誤差在南北分量（N）最大中誤差為0.3cm；東西分量（E）最大中誤差為0.35cm；高程分量（U）上的中誤差普遍小于0.5cm，最大為0.82cm。

圖2 基線中誤差分布圖Figure 2．Distribution of mean square errors of baselines

CGCS2000基準(zhǔn)下的三維約束平差，是以部分已知基準(zhǔn)站的坐標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行三維約束平差，獲得監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和剩余基準(zhǔn)站CGCS2000基準(zhǔn)下的坐標(biāo)，并對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位精度和邊長(zhǎng)比例誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1、表2。

表1 最弱點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1.Statistics of the weakest spot precisions

表2 最弱邊長(zhǎng)比例誤差統(tǒng)計(jì)Table 2.Statistics of the weakest side length ratio errors

本工程中所有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)經(jīng)三維約束平差，解算得到的點(diǎn)位中誤差最大值為4.99cm，最小值為0.18cm，邊長(zhǎng)比例誤差最大為1/50000，點(diǎn)位精度高，各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 高程測(cè)量

根據(jù)全省地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置、水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)地點(diǎn)以及三等以上國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)分布情況，本項(xiàng)目地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)的高程測(cè)量采用兩種方法。

一是對(duì)于水準(zhǔn)點(diǎn)25km范圍內(nèi)有三等及以上水準(zhǔn)點(diǎn)的情況采用四等水準(zhǔn)觀測(cè)方法測(cè)定高程。二是對(duì)于25km范圍內(nèi)無(wú)三等及以上水準(zhǔn)點(diǎn)的地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行D級(jí)GPS觀測(cè)，然后利用安徽省似大地水準(zhǔn)面精化成果，用區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化方法求得其GNSS擬合高程，共測(cè)定了103個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和96個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)高程。

4 利用“AHCORS”解算的成果精度分析

4.1 GNSS似大地水準(zhǔn)面精化擬合高程

我們對(duì)GPS觀測(cè)的129個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過AHCORS運(yùn)維中心利用24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)處理，進(jìn)行GNSS似大地水準(zhǔn)面精化后的擬合高程與四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)后計(jì)算得到的水準(zhǔn)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)情況見表3。

表3 GNSS擬合高程與四等水準(zhǔn)高程較差統(tǒng)計(jì)Table 3.Statistics of differences between GNSS fitting elevations and fourth-grade leveling elevations

由表3可知，在無(wú)法進(jìn)行高等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的困難情況下，利用CORS網(wǎng)采用GNSS似大地水準(zhǔn)面精化后的擬合高程完全能夠達(dá)到四等水準(zhǔn)精度，滿足項(xiàng)目對(duì)點(diǎn)位高程精度的要求。

4.2 平面精度統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行D級(jí)GPS精度觀測(cè)，通過AHCORS運(yùn)維中心利用24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)處理，所有網(wǎng)基線解算的中誤差在南北分量（N）最大中誤差為0.3cm；東西分量（E）最大中誤差為0.35cm；高程分量（U）上的中誤差普遍小于0.5cm，最大為0.82cm。約束平差后，點(diǎn)位中誤差最大值為4.99cm，點(diǎn)位中誤差最小值為0.18cm；邊長(zhǎng)比例誤差最大值為1/50000，GPS測(cè)量的各項(xiàng)精度指標(biāo)達(dá)到了D級(jí)GPS精度規(guī)范要求。

對(duì)所有點(diǎn)位進(jìn)行三維約束平差時(shí)，以部分已知基準(zhǔn)站的坐標(biāo)為約束條件進(jìn)行三維約束平差，其余87個(gè)基準(zhǔn)站按未知點(diǎn)參與平差，獲得與監(jiān)測(cè)站點(diǎn)同精度的施測(cè)坐標(biāo)，與其已知坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，得到D級(jí)GPS觀測(cè)成果精度，統(tǒng)計(jì)最大和最小較差見表4。

表4 基準(zhǔn)站平差坐標(biāo)與已知坐標(biāo)差值表Table 4.Differences between adjustment coordinates of reference station and known coordinates

通過基準(zhǔn)站平差坐標(biāo)與已知坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了利用AHCORS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度平面定位成果的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)例，介紹了利用AHCORS系統(tǒng)和區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化成果，野外單點(diǎn)觀測(cè)，測(cè)定國(guó)家高等級(jí)精度要求的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)施方法，闡述了具體技術(shù)路線、解算程序和成果精度分析與驗(yàn)證。為解決地質(zhì)勘查等有關(guān)工程中，類似高精度要求的施測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位分布范圍大、點(diǎn)位分散、不同地點(diǎn)的點(diǎn)位相距很遠(yuǎn)、相同地點(diǎn)的不同點(diǎn)位相距太近（幾米），以及常規(guī)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)無(wú)法實(shí)施等難題，提供了可靠、可行、可參考的解決方案。