基于RTK無驗潮的非恒定流河段水下地形測量

周威　胥洪川　楊廣洲　馮國正

摘要：為提高非恒定流河段水下地形測量精度，以金沙江白鶴灘水電站下游河段為例，提出運用RTK無驗潮技術(shù)來獲取水位空間信息，并采用點位高程較差分析、斷面套繪分析、數(shù)字高程模型（DEM）分析對RTK無驗潮法與水位推算法測得結(jié)果進行了精度對比。結(jié)果表明：高程較差分析中，中誤差為0.19 m，但有2％的數(shù)據(jù)存在3倍以上的中誤差;斷面套繪分析中，在水位落差較大且落差分布呈非線性區(qū)域，根據(jù)兩種方法所得結(jié)果繪制的河底形態(tài)呈現(xiàn)出整體抬高或變低現(xiàn)象;DEM分析中，水位推算法推導(dǎo)的水位與RTK無驗潮法得到的水位較差主要集中在［-0.4 m，0.4 m］。總的來看，兩種方法的測量結(jié)果有較好的一致性，RTK無驗潮技術(shù)在水電站下游非恒定流河段水下地形測量中具有較高的精度。

關(guān)鍵詞：水下地形測量； RTK； 無驗潮； 非恒定流； 金沙江； 白鶴灘水電站

中圖法分類號：TV221

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.002

文章編號：1006-0081（2023）12-0015-05

0引言

水下地形測量中地形點的河底高程一般由水位減對應(yīng)的水深間接求取，地形點的水深通過測深儀直接測得，而傳統(tǒng)的水下地形點的水位則需通過建立測區(qū)水位模型推導(dǎo)而得。對于非恒定流河段，傳統(tǒng)水位測量方式效率低，不同流量的水位模型建立困難，測深精度難以得到有效保障。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，利用實時動態(tài)差分（Real-time Kinematic，RTK）的無驗潮技術(shù)可解決水電站下游非恒定流河段高精度測深難題。目前，無驗潮技術(shù)已在海洋測繪領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。田雨等［1］驗證了近海區(qū)域PPP（Precise Point Positioning，精密單點定位）-RTK模式下無驗潮作業(yè)方法的可靠性；夏曉亮等［2］運用PPK（Post Processed Kinematic）動態(tài)后處理定位無驗潮技術(shù)解決長距離觀測中RTK差分信號失鎖而降低測深精度的難題；牛沖［3］利用CORS（Cross-Origin Resource Sharing，連續(xù)運行參考站）-RTK無驗潮技術(shù)得到的成果數(shù)據(jù)內(nèi)符合精度不符值比例為2.82%，外符合精度平均值為0.11 m。在某些特殊的河段，傳統(tǒng)作業(yè)模式下水位推算模型得到的結(jié)果與真實水位存在一定差異，成果精度較低。金沙江下游水量豐沛、水力資源豐富，向家壩、溪洛渡、烏東德、白鶴灘水電站相繼投產(chǎn)運營。由于受水電站發(fā)電調(diào)度影響，水電站下游、變動回水區(qū)等河段的水位呈非恒定無序變化。因此，本文以金沙江白鶴灘水電站為例，基于水電站下游非恒定流河段水下地形數(shù)據(jù)，運用RTK無驗潮水深測量技術(shù)與水位推算法進行精度分析。

1測量原理

RTK無驗潮測深系統(tǒng)一般由RTK實時定位系統(tǒng)、測深系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等3部分組成。RTK實時定位系統(tǒng)包括衛(wèi)星、基準站或網(wǎng)絡(luò)基站CORS系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）流動站；測深系統(tǒng)主要由測深儀、換能器探頭、聲速測量儀組成；導(dǎo)航系統(tǒng)主要由導(dǎo)航載體測船、導(dǎo)航軟件組成。RTK無驗潮測深的基本原理是：耦合定位系統(tǒng)獲取GNSS接收機三維坐標和測深系統(tǒng)獲取測深儀聲學(xué)中心的水深數(shù)據(jù)，通過實時或事后解算得到水下地形點的三維坐標。若基準站為網(wǎng)絡(luò)基站CORS系統(tǒng)，則需獲取區(qū)域似大地水準面模型以求取測區(qū)大地高與正常高的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2實例應(yīng)用

2.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省與四川省的交界處，金沙江白鶴灘水電站下游河段。由于受水電站發(fā)電調(diào)度影響，下游河段水位呈非恒定無序變化，最大水深超過30 m，水位落差大約為4 m，最大流速可達5.6 m/s。試驗區(qū)CORS信號良好，可采用網(wǎng)絡(luò)基站方式。

2.2數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的主要內(nèi)容包括水深數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、試驗區(qū)似大地水準面模型。數(shù)據(jù)采集之前進行歷史資料收集，野外踏勘，水位站選址，網(wǎng)絡(luò)基站CORS穩(wěn)定性測試等工作。

本研究利用GNSS流動站采集定位，采用測深儀獲取水深數(shù)據(jù)。測深儀通過記錄聲波在水中的往返時間來計算水深，在內(nèi)河流域水中，聲速主要考慮水溫的影響。水深數(shù)據(jù)采集前，需要獲取水中聲速。為了將GNSS所測的大地高改正至水面大地高，水深數(shù)據(jù)采集前，需要量算換能器吃水深度及GNSS至換能器距離。水位數(shù)據(jù)通過觀測各水位站水尺零點高程及連續(xù)記錄水位站水位漲落獲取。試驗區(qū)似大地水準面模型通過GNSS控制點水準觀測獲取測區(qū)精確的正常高模型，再擬合高程異常值獲取。

單波束測深系統(tǒng)采用海鷹HY1601搭載Trimble R10 GNSS進行水下數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)航軟件為hypack。各水位站水尺零點高程采用精密三角高程測量進行獲取，觀測儀器為1″級的索佳Sokkia CX-101N，水位漲落采用人工觀測。試驗區(qū)GNSS控制點水準觀測，采用四等導(dǎo)線代替四等水準的方式。運用各控制點的大地坐標（B，L，H）與平面坐標（X，Y，正常高）建立試驗區(qū)七參數(shù)布爾莎模型。2022年6月上旬完成試驗區(qū)數(shù)據(jù)采集工作。

2.3數(shù)據(jù)處理

采用水位推算法、RTK無驗潮法兩種方法處理試驗區(qū)數(shù)據(jù)，見圖2。

2.3.1數(shù)據(jù)濾波及聲速改正

GNSS濾波往往采用保留事件打標點以及濾掉GNSS精度較差的數(shù)據(jù)。水深中值濾波是水深異常數(shù)據(jù)濾波的一種處理方式，能夠提高水深數(shù)據(jù)精度。水電站下游水位脈動河段流速大，無較大水溫梯度，水深較淺，可默認為水底至水面的聲速一致。

2.3.2GNSS延遲改正

在往返測同一斷面時，若斷面數(shù)據(jù)同一位置的高程有一點位移偏差，水下地形等高線出現(xiàn)大量不符合真實地形特征的鋸齒形狀，這是GNSS延遲效應(yīng)的表現(xiàn)。一般認為，GNSS延遲是由數(shù)據(jù)傳輸延時、船速以及測深換能器測量運動過程中沒有垂直朝下引起，是一種綜合系統(tǒng)誤差。它的改正方法常常通過返測同一斷面，將它們同一點位移量、速度進行計算得到延遲時間，對延遲時間進行最小二乘擬合得到測深系統(tǒng)的綜合延遲時間。由于GNSS延遲是系統(tǒng)誤差，該改正只能減弱，不能徹底消除。

2.3.3水位改正

水位推算法中，往往采用河道中心線推算法進行水位改正。其原理是將水下測點投影至河道中心線上，根據(jù)投影點與上、下游水位站之間的距離來推導(dǎo)該點的水位。河道中心線推算示意如圖3所示。

2.4精度分析

由于水位推算法與RTK無驗潮法成果數(shù)據(jù)均為正常高，本文通過比較兩種方法的河底高程來分析水下地形測量精度。采用點位高程較差分析、斷面套繪分析、數(shù)字高程模型（DEM）分析對試驗數(shù)據(jù)進行精度比較。

2.4.1點位高程較差分析

點位高程較差分析即比較水位推算法與RTK無驗潮法在同一點的高程較差。圖4為高程較差分布，試驗區(qū)采樣樣本有882個，統(tǒng)計結(jié)果顯示較差主要集中在-0.3～0.4 m，占數(shù)據(jù)總量的86％。

2.4.2斷面套繪分析

斷面套繪分析是將不同方法的斷面數(shù)據(jù)按同一零點樁繪制在同一個圖上，可以直觀表示數(shù)據(jù)的差異。本文將水位推算法與RTK無驗潮法的成果數(shù)據(jù)按照不同水位站間區(qū)域截取的斷面套繪，進行對比分析。試驗區(qū)某一時刻各水位站落差見圖5，截取的斷面A位于圖5中水位站1與水位站2之間，截取的斷面B位于圖5中水位站2與水位站3之間，斷面C位于圖5中水位站3與水位站4之間（圖6）。

通過對比分析，由于水位站2與水位站3之間河段落差較小，斷面B套繪圖顯示兩種方法套繪吻合較好。由于水位站1與水位站2、水位站3與水位站4之間落差較大且落差呈非線性，水位呈波動狀態(tài)，斷面A套繪圖中水位推算法計算的河底高程被整體抬高，斷面C套繪圖中水位推算法計算的河底高程整體變低。在水位波動河段，水位推算法與RTK無驗潮法之間存在不確定性差異，這種差異主要是由于水位推算模型與實際水位存在差異造成的。RTK無驗潮法的觀測精度低于水位控制觀測精度，然而在水位推算過程中造成水位精度降低，在某些推算模型無法控制的區(qū)域甚至低于RTK無驗潮法的觀測精度。

2.4.3DEM分析

DEM是地形表面的數(shù)字化，以規(guī)則格網(wǎng)點高程數(shù)值矩陣來表示地表起伏形態(tài)特征信息。DEM分析即將水位推算法與RTK無驗潮法所生成的成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DEM柵格數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)的三維空間特征。將水位推算法、RTK無驗潮法數(shù)據(jù)空間柵格計算得到DEM，如圖7所示。運用柵格計算器進行空間分析得到數(shù)據(jù)之間較差DEM模型。

對水位推算法與RTK無驗潮法得到的DEM模型592 m以下范圍進行空間體積計算，水位推算法得到DEM模型體積為1 615 763 m3，RTK無驗潮法DEM模型體積為1 607 027 m3，體積差約為054％。

對水位推算法與RTK無驗潮法較差DEM模型按照河道中心線截取分析，得到試驗區(qū)河道中心線里程-高程較差圖（圖8）。圖8可以代表水位推算法推導(dǎo)水位與RTK無驗潮法觀測水位之間的差異。圖8中，較差主要集中在［-0.4 m，0.4 m］，且差異大小隨河道里程隨機波動。可見在受水庫調(diào)節(jié)影響的非恒定流河段，水位推算法難以用線性方式代表真實水位信息。

RTK無驗潮法與水位推算法在非恒定流河段水下地形測量的數(shù)據(jù)具有較好的一致性，但是某些區(qū)域仍存在較大差異。造成差異的主要原因是，在落差較大、且水位變化呈非線性的非恒定流河段，水位推算法難以用線性方式代表真實水位信息，在水位推算過程中，由于推算水位與真實水位存在較大差異，造成水位精度降低甚至低于RTK無驗潮法的精度。RTK無驗潮法在非恒定流河段進行水下地形采集具有較高的準確性。

3結(jié)論

本文運用點位高程較差分析、斷面套繪分析、DEM分析對試驗區(qū)水位推算法、RTK無驗潮法的成果數(shù)據(jù)進行對比，得出如下結(jié)論：

（1） 高程較差分析中，中誤差為0.19 m，但是有2％的數(shù)據(jù)存在3倍以上的中誤差。雖然兩種方法有較好的一致性，但是在水位推算模型無法代表真實水位的區(qū)域仍存在較大差異。

（2） 斷面套繪分析中，水位推導(dǎo)模型良好區(qū)域兩種方法的斷面數(shù)據(jù)套繪吻合較好；在水位落差較大且落差呈非線性區(qū)域，兩種方法的斷面數(shù)據(jù)套繪河底形態(tài)呈現(xiàn)出整體抬高或變低現(xiàn)象。

（3） DEM分析中，水位推算法推導(dǎo)的水位與RTK無驗潮法得到的水位較差主要集中在［-0.4 m，0.4 m］，存在一定差異。

總的來看，在受上游水庫調(diào)節(jié)影響的非恒定流河段，水位推算法難以用線性方式建立嚴密的水位推導(dǎo)模型來模擬真實水位信息，而RTK無驗潮技術(shù)無需水位觀測、無需建立嚴密的水位推導(dǎo)模型，消除了測深儀換能器動態(tài)吃水誤差，在水電站下游非恒定流河段水下地形測量中具有較高的精度。

參考文獻：

［1］田雨，楊俊凱，顏惠慶，等.PPP-RTK技術(shù)在長江口無驗潮水深測量中的應(yīng)用［J］.中國港灣建設(shè)，2022，42（11）：42-45.

［2］夏曉亮，龔令平，魏榮灝，等.PPK無驗潮技術(shù)在杭州灣跨海大橋河勢斷面觀測中的應(yīng)用［J］.浙江水利科技，2022（6）：24-26.

［3］牛沖.基于CORS-RTK無驗潮的海岸帶水下地形測量精度分析［J］.海洋測繪，2021，41（6）：36-39.

［4］單瑞，李浩軍，劉慧敏，等.GNSS PPP/INS緊組合模式下的遠海無驗潮水深測量［J］.海洋地質(zhì)前沿，2022，38（10）：87-93.

［5］楊波，楊松，張振軍，等.GNSS三維水道觀測中動態(tài)測高精度控制及分析［J］.水利水電快報，2020，41（12）：10-12.

（編輯：江文）

Underwater topographic survey of unsteady flow river based on RTK non-tide bathymetric survey

ZHOU Wei，XU Hongchuan，YANG Guangzhou，F(xiàn)ENG Guozheng

（Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Chongqing 400021，China）

Abstract：In order to improve the accuracy of underwater topographic survey in unsteady flow reaches，taking the downstream reach of Baihetan Hydropower Station of Jinsha River as an example，the RTK non-tide check was proposed to obtain spatial information of water level.The accuracy of the results obtained by RTK non-tide check method and water level calculation method were compared by point elevation poor analysis，section mapping analysis and Digital Elevation Model （DEM） analysis.The results showed that in the analysis of poor elevation，the median error was 0.19 m，but 2% of the data had the median error more than 3 times.In the section nesting analysis，in the area where the water level drop was large and the drop distribution was non-linear，the river bottom shape drawn according to the results of the two methods showed the overall elevation or decreased.In the DEM analysis，the difference between the water level derived by the water level calculation method and the water level obtained by the RTK non-tide checking method was mainly concentrated in ［-0.4 m，0.4 m］.In general，the measurement results of the two methods were in good agreement，and the RTK non-tide technology had higher accuracy in the underwater terrain survey of the unsteady flow downstream of the hydropower station．

Key words：underwater terrain survey； RTK； non-tide bathymetric survey； unsteady flow； Jinsha River ； Baihetan Hydropower Station