GNSS高程測量在跨江水準測量中的應用

馬繼東

（安徽省長江河道管理局,安徽 蕪湖 241001）

長江安徽省段平原圩區面積大,農業產量高,城鎮、工業、交通、經濟發達,在國民經濟中占很大比重。由于長江河勢變化十分復雜,河道擺動幅度較大,勢必對航道穩定和通航安全造成影響。因此,加強長江河道動態監測與分析,確保河勢穩定,對保證航行安全、充分發揮黃金水道的作用具有重要意義。

長江安徽省段干流正常水位時,水面寬度絕大部分都超過1 km,汛期水面寬度最寬處甚至超過7 km、8 km。沿江兩岸的水準線路聯測較少,在實際應用中經常發現兩岸水準點存在誤差較大,特別是在水文測驗兩岸水位比降觀測中存在異常現象。2020 年在蕪裕、馬鞍山河段水文測驗中,就發現兩岸水位差值較大,橫向比降異常。由于江面較寬,采用傳統的跨河水準方法難度較大。因此采用GNSS高程測量進行跨江水準聯測,可較好地解決大跨度的過河水準測量的難題。

1 傳統跨河水準和GNSS高程測量

傳統跨河水準當水準路線跨越江河,視線長度在200 m以內時,可用一般觀測方法進行。若視線長度超過200 m時,應根據跨河寬度和儀器設備等情況,選用直接讀尺法、光學測微法、經緯儀傾角法或測距三角高程法[1]。跨河場地要求選擇在水面較窄、地質堅實、便于設站的河段。

GNSS高程測量利用GNSS衛星定位技術測定點位大地坐標,利用似大地水準面成果和點位坐標獲得該點的高程異常,根據大地高和高程異常求解點位的正常高。或在小區域范圍內,采用GNSS高程擬合方法計算得到點位的正常高[2]。

由于長江干流安徽省段江面較寬,兩岸大多種植了防浪林,地質及通視狀況較差,采用傳統跨河水準觀測方法接測跨江水準難度較大。GNSS高程測量技術成熟,且受地勢影響較小、不受通視條件影響,布網靈活,因此代替傳統跨河水準具有較大的優勢。

2 GNSS高程測量在跨江水準中的應用

2020 年6 月在蕪裕河段和馬鞍山河段水文測驗中,發現同一水文斷面左右岸水位差值較大,有的超過了20 cm,經分析、校核后發現可能是兩岸水準線路不統一或不均勻沉降等因素造成的。為了統一兩岸水位起算點高程,決定實施過江水準。

根據現場條件和實際情況,從固定通道過江、傳統跨河水準和GNSS高程測量三種方案中選取GNSS高程測量來實施過江水準,將兩岸水準線路進行聯測[3]。過江位置選在蕪湖河段大拐處和馬鞍山河段馬和輪渡處,兩處兩岸地勢平坦高差較小,地質條件相差不大,大拐和馬和輪渡處江面寬度分別約13 km和28 km,兩處過江點直線距離約50 km,并與兩岸布設的水準路線進行聯測。

2.1 過江水準線路及精度要求

本次高程基準采用1985 國家高程基準,起算數據采用右岸過江點附近的國家一等水準點皖水甲I上和I青寧68（11）作為起算點,GNSS過江水準精度設為四等跨河測量精度。

GNSS高程測量跨江線路見圖1。其中WB-WC為蕪裕河段大拐處過江線路,MB-MC為馬鞍山河段馬和輪渡處過江線路。

圖1 GNSS高程測量跨江線路示意圖

跨河點和非跨河點在外業觀測前1天,在預先選好的地面干燥、土質堅硬的位置上植入鋼釘,見圖2。

圖2 地釘示意圖

依據《GPS高程測量規范》（DB32/T 1223-2008）,按照GNSS C級網觀測精度來進行觀測,采用GNSS正常高差代替四等水準高差。

2.2 GNSS高程測量野外觀測

為提高觀測精度,本次觀測采用6 臺徠卡GNSSGS14 進行同步觀測。其靜態后處理標稱精度,水平為：3 mm+0.3 ppm,垂直為：5 mm+0.3 ppm,滿足有關規范要求。外業觀測時依據《GPS高程測量規范》（DB32/T 1223-2008）,結合《國家一、二等水準測量規范》（GB/T12897-2006）,蕪湖大拐處觀測時段數為3 個,馬鞍山馬和輪渡處觀測時段數為5 個。每個時段2 小時,采樣間隔10 s。兩處過江處觀測時間間隔一天,并均在一天內完成。

天線高采用鋼體隊中桿,分別在觀測前、觀測后分三個不同方向測量取平均值,讀數互差均小于1.0 mm。GNSS整網觀測前后,按照三等水準測量精度,分別對同岸GNSS水準點之間的高差進行連測,以檢測各點位的沉降變化,高差變化量滿足三等水準測量檢測要求。

2.3 GNSS高程測量數據處理及成果計算

本次數據處理中央子午線選取了118°30',接近測區中心中央子午線。

GNSS基線解算采用TrimbleTBC軟件,分別對兩處過江線路進行自動和交互式的基線矢量解算。基線解算時以2 h為一單元,將連續觀測的數據截斷為多個時段進行基線解算,使每一個同步環的觀測圖形各基線多有重復基線處理結果。

GNSS網平差處理仍然采用TBC軟件,在基線向量檢測符合要求后,以三維基線向量及相應方差-協方差陣作為觀測信息,分別以過河點WB、MB的WGS84 下的三維坐標作為起算數據,進行GNSS網無約束平差。

高差計算參照《國家一、二等水準測量規范》（GB/T 12897-2006）,計算高程異常變化率[4]。公式如下：

式中：aAB為AB方向的高程異常變化率,m/km；SAB為A、B點間的平距,km；ΔHGAB為AB間的大地高差,m；ΔHγAB為AB間的正常高差,m。

由每一個非跨河點與最近的跨河點計算出一個高程異常變化率,最后將兩岸得到的不同高程異常變化率取平均值作為跨河河段的高程異常變化率[5]。本次GNSS高程測量高程異常變化率較差參照二等GNSS高程測量的標準,同岸高程異常變化率a較差小于0.013 m,不同岸a較差小于0.018 m,見表1。

表1 高程異常變化率計算表

由（2）式計算出跨河段的跨河水準高差：

式中：ΔHγAB為BC間的正常高差,m；ΔHγAB為BC間的大地高差,m；aBC為BC方向的高程異常變化率,m/km；SBC為BC點間的平距,km。

3 數據精度統計

全部觀測基線按兩處過江點,采用TrimbleTBC軟件一次解算成功,無約束平差時剔除了WA1-WA2、MA1-MA2基線,基線處理數據利用率均大于80%。

（1）復測基線的長度較差（ds）檢查,應滿足下式的規定：

式中：a、b為儀器標稱精度指標；D為實際平均邊長。

（2）同步環檢查,坐標分量閉合差（Wx、Wy、Wz）和環坐標閉合差（Ws）為異步環限差值的1/2。

（3）異步環檢查,坐標分量閉合差（Wx、Wy、Wz）和環坐標閉合差（Ws）應滿足下式的規定：

式中：n為組成異步環的邊數。

蕪湖大拐處平均基線長度約1.7 km,馬鞍山馬和輪渡處平均基線長度約2.5 km。基線解算時,將觀測設備標稱精度及誤差參數在軟件中進行了設置,基線解算后對3 條有效基線組成的同步環、異步環和重復基線質量及精度進行統計。

重復基線最大互差1.2 mm,基線最大相對誤差1∶340785。

其中同步環最大相對誤差值為0.32 ppm,異步環相對誤差最大值為3.26 ppm。

（4）無約束平差中,基線分量的改正數絕對值（VΔx、VΔy、VΔz）應滿足下式[6]：

平差后經統計最大點位中誤差為2.1mm,橢球高中誤差為1.9mm。

（5）以右岸國家一等水準點皖水甲I上和I青寧68（11）作為起算點,將兩處過江水準線路與左岸水準路線連接計算,線路總長70.278 km,按四等水準符合線路閉合參允許為167 mm,實際閉合差為21 mm。并將左岸水位重新計算,斷面水位橫向差值均在10 cm以內。

4 結語

隨著科技不斷進步發展,測繪技術和手段也越來越先進和豐富。采用GNSS高程測量進行大跨度的過河水準測量,特別是通視狀況較差的河段,具有較大的優越性和可操作性。但為了增加可靠性,分別于兩處不同地點跨江,并將線路連接,精度滿足四等水準精度要求。

由于受現場通視條件等因素限制,沒有采用三角高程測量進行校核,是本次應用案例的不足之處。GNSS高程測量進行跨河水準的精度,關鍵在于場地的選取、天線高的準確測量以及高程異常的精確求取,本次應用雖然等級不高,但在實際應用中仍值得借鑒和推廣。