基于GNSS三維水道觀測技術(shù)的水深測量

摘要：

為了探究GNSS三維水道觀測技術(shù)在長江中游及漢江中下游水深測量精度問題，基于國內(nèi)外目前水深測量研究現(xiàn)狀，闡述了傳統(tǒng)驗(yàn)潮模式與GNSS三維水道觀測模式兩種水深測量基本原理，通過Hypack軟件獲取GNSS動態(tài)測高數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)兩種模式下水深測量數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明：測區(qū)內(nèi)分段高程轉(zhuǎn)換模型精度與GNSS定位精度均為良好。GNSS三維水道觀測數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮數(shù)據(jù)相比，水位互差小于0.1 m的測點(diǎn)占比大于95%，滿足相關(guān)行業(yè)規(guī)范要求，證明GNSS三維水道觀測技術(shù)在長江中游及漢江中下游河段具備一定可靠性和精確性，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：

GNSS三維水道觀測； 驗(yàn)潮水位； 水深測量； 長江中游； 漢江中下游

中圖法分類號：P332.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.006

文章編號：1006-0081（2025）01-0030-06

0 引 言

河道測量是了解河道內(nèi)部狀況的關(guān)鍵手段，對于防洪、河道綜合整治、護(hù)岸以及水利工程建設(shè)等十分重要。由于早期全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System，GNSS）技術(shù)的高程定位精度較低，傳統(tǒng)的水下河道地形測量主要采用 GNSS 接收機(jī)提供測點(diǎn)的平面位置，同時使用水尺或驗(yàn)潮儀進(jìn)行水位觀測，斷面間測點(diǎn)的水位則根據(jù)水位模型進(jìn)行內(nèi)插獲取［1-4］。這種方法存在一定局限性，未能充分考慮斷面各處水位的變化情況，同時水位推算模型無法完全適用于所有水域，動吃水改正模型的嚴(yán)密性也存在不足。隨著網(wǎng)絡(luò)實(shí)時動態(tài)測量技術(shù)（Real Time Kinematic，RTK）和區(qū)域連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站技術(shù)（Continuously Operating Refrence Service，CORS）的迅速發(fā)展，實(shí)時高精度獲取測點(diǎn)的大地高程成為可能，且精度和穩(wěn)定性得到顯著提高［5-7］。這些技術(shù)的進(jìn)步使得GNSS 三維水道觀測成為一種更為便捷和有效的水道地形測量方式。

在過去的研究中，已有學(xué)者開始探索利用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）進(jìn)行水下地形測量。1998年，桑金［8］利用GPS 大地高程信息進(jìn)行水深歸算，對無驗(yàn)潮水深測量進(jìn)行了初步探討。Alkan［9］基于GPS建立了深度值與垂直基準(zhǔn)的聯(lián)系。隨后，Chang等［10］采用GPS無驗(yàn)潮水深測量方法在臺灣西北海岸進(jìn)行了實(shí)地測試，并將其與傳統(tǒng)的驗(yàn)潮方法進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了無驗(yàn)潮水深測量的可行性。無驗(yàn)潮模式目前也被稱為GNSS三維水道觀測模式，相對于傳統(tǒng)的驗(yàn)潮模式來說，具備全天候?qū)崟r快速測量、低成本、作業(yè)效率高、可避免水位觀測誤差與動吃水改正誤差等多項(xiàng)優(yōu)勢［11-13］。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者利用RTK、后處理動態(tài)測量技術(shù)（Post Processing Kinematic，PPK）、精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）等技術(shù)在不同水域進(jìn)行了定位應(yīng)用以及精度評估［14-16］，這也奠定了 GNSS 三維水道觀測廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。但現(xiàn)有研究大多局限于在近海或長江口水域。因此，本文旨在結(jié)合長江中游以及漢江中下游河段水下地形的實(shí)測數(shù)據(jù)，對 GNSS 三維水道觀測和傳統(tǒng)驗(yàn)潮兩種方法獲取的水下地形數(shù)據(jù)進(jìn)行全面對比，并綜合分析基于GNSS 三維水道觀測的水下地形測量數(shù)據(jù)的精度。研究成果將有助于更全面地評估GNSS 三維水道觀測模式在長江中游以及漢江河段水下地形測繪技術(shù)中的應(yīng)用潛力，為相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)踐提供參考。

1 水深測量基本原理

1.1 驗(yàn)潮水深測量原理

采用傳統(tǒng)驗(yàn)潮方式測量內(nèi)陸河道水下地形時，通常在測船上搭載GNSS 接收機(jī)和測深儀，GNSS 接收機(jī)用于提供測點(diǎn)的平面坐標(biāo)，測深儀用于測量距離河床的深度，測深儀測量的水深實(shí)際上是換能器以下的深度，而不是水面以下的深度。基于驗(yàn)潮方法進(jìn)行水深測量時，需考慮測船吃水問題。所謂靜態(tài)吃水，是指船只未航行時換能器在水面以下的深度。水文測量船的靜態(tài)吃水必須進(jìn)一步與各種船速引起的沉降和下蹲效應(yīng)相結(jié)合，進(jìn)行總動態(tài)吃水校正，以補(bǔ)償船只航行時的垂直位移和姿態(tài)變化。

如圖1所示，基于傳統(tǒng)驗(yàn)潮模式進(jìn)行水深測量時需在岸邊設(shè)立水尺，人工觀測水尺讀數(shù)并采用儀器接測水位，從而將每個測量深度還原到參考基準(zhǔn)，即當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面。此時，理論深度基準(zhǔn)面下的河底點(diǎn)高程h可通過式（1）計(jì)算得到：

h=T-（S+d）（1）

式中：S為換能器到河底的距離，m；d為換能器吃水，即換能器底端到瞬時水面的距離，m；水位T為瞬時水面相對于當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面的高程，m。

1.2 GNSS 三維水道觀測基本原理

GNSS 三維水道觀測基本原理如圖2所示。水深測量時，陸地架設(shè)多個基準(zhǔn)站構(gòu)成基準(zhǔn)站網(wǎng)，為GNSS流動站提供載波相位差分信息，從而獲取測船上GNSS流動站天線相位中心實(shí)時、準(zhǔn)確、可靠的平面坐標(biāo)（X，Y）和高程 H［17］。GNSS接收機(jī)獲取的高程為相對參考橢球面的大地高，因此，采用本方法進(jìn)行測深時，需計(jì)算參考橢球面與當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面的高差ξ，河底高程計(jì)算如式（1）所示。與驗(yàn)潮模式不同的是，GNSS三維水道觀測模式下水位T由GNSS高（H）、GNSS接收機(jī)天線相位中心到水面的高度（L）以及高差（ξ）計(jì)算而得：

T=H-ξ-L（2）

結(jié)合式（1）與式（2），可得到河底高程h計(jì)算公式：

h=H-ξ-L（S+d）（3）

在實(shí)際測量中，一般將1985國家高程基準(zhǔn)作為當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面，ξ即高程異常，此時（H-ξ）為1985正常高，因此通常采用高程轉(zhuǎn)換模型將大地高歸算至1985國家高程基準(zhǔn)。高程轉(zhuǎn)換模型的精度通常采用測區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)的內(nèi)外符合情況來評價，

其中外符合指GNSS定位結(jié)果與控制點(diǎn)成果之間的符合程度，內(nèi)符合即定位數(shù)據(jù)之間的離散程度。

內(nèi)符合精度σi和外符合精度σs的計(jì)算公式如式（4）～（5）所示［18］：

σi=±［ΔξiΔξi］n-1（4）

σs=±［ΔξsΔξs］m-1（5）

式中：Δξi為模型轉(zhuǎn)換殘差，Δξs為檢核點(diǎn)計(jì)算值與真值之差，n為參與模型擬合點(diǎn)個數(shù)，m為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ忘c(diǎn)個數(shù)。

2 試驗(yàn)區(qū)概況

選取長江中游以及漢江中下游河段作為試驗(yàn)區(qū)。長江中游試驗(yàn)河段上承荊江和洞庭湖來水，下連鄱陽湖水系，長約513 km，地勢西北高而東南低。區(qū)內(nèi)有陸水、東荊河、漢江等多條支流入?yún)R，河道主要為分汊河型，沿程江心洲羅列，外型呈藕節(jié)狀寬窄相間，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)存在較多固定碼頭、橋梁等建筑物，在內(nèi)陸河中具備一定的典型代表。漢江為長江最大支流，隨著近年來漢江中下游水利設(shè)施建設(shè)與航道整治工程等大型工程的建設(shè)，試驗(yàn)河段內(nèi)興建了包括雅口、碾盤山、興隆等3座大型水利工程設(shè)施在內(nèi)的多處水工建筑，極易造成橫斷面上各測點(diǎn)水位呈不規(guī)則變化趨勢，而驗(yàn)潮方法將單一水位作為整個橫斷面的水位，從而導(dǎo)致其與實(shí)際水位不符。為此，本文選取長江中游以及漢江中下游河段進(jìn)行GNSS三維水道觀測試驗(yàn)。

長江中游河段共布設(shè)402個固定斷面，215根臨時水尺；漢江中下游河段共布設(shè)229個固定斷面，42根臨時水尺，選取長江中游所有斷面以及漢江中下游59個典型斷面同步進(jìn)行傳統(tǒng)驗(yàn)潮水深測量和GNSS三維水道觀測試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高程模型轉(zhuǎn)換精度分析

從GNSS 三維水道觀測河底高程計(jì)算式（3）可知，高程異常值的精度決定了水深測量成果的精度。由于試驗(yàn)區(qū)河段較長，單一的高程轉(zhuǎn)換模型無法達(dá)到測量精度要求，因此本文采用分區(qū)擬合的方法，將長江中游劃分為 12 個測段，漢江中下游劃分為9 個測段，分別沿江選取測段內(nèi)已有控制點(diǎn)，計(jì)算布爾薩（Bursa）高程轉(zhuǎn)換模型［19］的7個參數(shù)，從而控制測區(qū)內(nèi)高程轉(zhuǎn)換模型的精度，以便將GNSS接收機(jī)獲取的大地高精確轉(zhuǎn)換為1985 國家高程基準(zhǔn)下的正常高，測區(qū)分段結(jié)果如圖3所示。

高程轉(zhuǎn)換模型的精度情況見表1，點(diǎn)位和高程轉(zhuǎn)換的內(nèi)、外符合精度均優(yōu)于5 cm，滿足SL 257-2017 《水道觀測規(guī)范》中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的點(diǎn)位精度應(yīng)小于5 cm、高程轉(zhuǎn)換的外符合精度和內(nèi)符合精度應(yīng)小于7 cm的要求。

3.2 GNSS定位精度分析

在實(shí)際測量過程中，GNSS的精準(zhǔn)定位將對測量精度產(chǎn)生直接影響。為驗(yàn)證本文所采用GNSS接收機(jī)的定位精度，將測量使用的GNSS流動站架設(shè)到未參與高程轉(zhuǎn)換計(jì)算的已控制點(diǎn)上，進(jìn)行靜態(tài)檢測比對，比對時采用水深測量數(shù)據(jù)采集軟件Hypack記錄測量數(shù)據(jù)。在GNSS獲得固定解的條件下，長江中游測區(qū)兩臺GNSS接收機(jī)在控制點(diǎn)CZ75上進(jìn)行了10 min的連續(xù)動態(tài)數(shù)據(jù)采集；漢江中下游一臺GNSS接收機(jī)分別在控制點(diǎn)EHX52、EHX113、EHX114及HJD234進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，并將采集到的平面坐標(biāo)和高程進(jìn)行外符合精度檢驗(yàn)和內(nèi)符合精度計(jì)算，以檢測GNSS定位的精度、可靠性與穩(wěn)定性，結(jié)果見表2。表中外符合均值差為采用GNSS接收機(jī)采集到的三維坐標(biāo)均值與已知控制點(diǎn)坐標(biāo)之差。其中，高程均值與已知控制點(diǎn)之間的互差絕對值最大為2 cm，平面與已知控制點(diǎn)之間的互差絕對值小于5 cm，這些精度指標(biāo)滿足SL 257-2017《水道觀測規(guī)范》的要求。內(nèi)符合精度代表GNSS穩(wěn)定性，Mx，My，Mh分別為測量數(shù)據(jù)在x，y，h方向上的標(biāo)準(zhǔn)差，數(shù)值越小證明GNSS越穩(wěn)定。

長江中游兩臺GNSS接收機(jī)采集到的數(shù)據(jù)與已知控制點(diǎn)平面較差ΔS和高程較差ΔH的分布如圖4所示，測量數(shù)據(jù)與其均值之間的3D離散分布如圖5所示，散點(diǎn)的大小代表了測量數(shù)據(jù)的內(nèi)符合程度，點(diǎn)越小，該點(diǎn)的內(nèi)符合精度越高。從圖中可以看出試驗(yàn)區(qū)內(nèi)GNSS定位結(jié)果較為穩(wěn)定。

3.3 GNSS三維水道觀測水位精度分析

為驗(yàn)證評價GNSS三維水道觀測的精度和可靠性，本文在采用GNSS三維水道觀測模式測深時，同步采用全站儀光電測距三角高程測量等方式測量河段水位，并采用“雙站水位”模式進(jìn)行水位推算，比對相同測點(diǎn)測時的驗(yàn)潮水位和GNSS三維水道觀測水位。長江中游河段比對了402個斷面，測點(diǎn)總數(shù)為21 450，漢江中下游共比對了59個典型斷面，測點(diǎn)總數(shù)為2 922，兩個河段的驗(yàn)潮水位與GNSS三維水道觀測水位互差符合正態(tài)分布，其正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)如圖6所示。

GNSS觀測水位與驗(yàn)潮水位比對互差見表3。根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，瞬時水位比對互差絕對值不大于0.1 m的點(diǎn)數(shù)占比大于95%，互差小于或等于0.20 m的點(diǎn)數(shù)占比為100%，滿足SL 257-2017 《水道觀測規(guī)范》附錄A中互差小于或等于0.10 m的點(diǎn)數(shù)占比不小于80%、互差小于或等于0.20 m的點(diǎn)數(shù)占比不小于95%的規(guī)定［20］。

本文在統(tǒng)計(jì)過程中剔除了部分因人工建筑和庫區(qū)蓄水漫灘等原因?qū)е滤怀霈F(xiàn)非正常波動的斷面，如圖7所示的長江中游CZ71+1A斷面，該斷面橫跨江心洲上的人工建筑物，導(dǎo)致左右汊道水位存在不一致的現(xiàn)象。由圖7和圖8可知，CZ71+1A斷面GNSS三維水道逐點(diǎn)瞬時水位與全站儀接測斷面水位互差呈現(xiàn)不規(guī)則的線性變化，圖7中水位互差位于不同區(qū)間的測點(diǎn)采用不同的顏色表示，圖8括號內(nèi)為特征測點(diǎn)的斷面起點(diǎn)距與對應(yīng)的GNSS三維水道瞬時水面高程。由于全站儀位于該斷面右岸接測水位，右汊GNSS三維水道水位與驗(yàn)潮水位較為一致，水位互差小于0.1 m，而左汊差距較大，整個斷面GNSS三維水道水位變化幅度達(dá)0.32 m，因此利用驗(yàn)潮方式采用恒一的水位數(shù)值無法表征瞬時河道斷面水位變化情況。

通過上述對比可以發(fā)現(xiàn)，在長江中游和漢江中下游河段利用GNSS 三維水道觀測模式進(jìn)行水深測量的結(jié)果與驗(yàn)潮水深測量的結(jié)果具備較好的一致性，精度較為可靠。針對典型斷面，GNSS 三維水位觀測技術(shù)可以獲取水位的細(xì)微變化，提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

隨著長江及漢江中下游干流河道基礎(chǔ)設(shè)施的興建，河段控制基準(zhǔn)得到了顯著的改善，為GNSS三維水道觀測創(chuàng)造了有利條件。本文通過在長江中游與漢江中下游區(qū)域同步開展GNSS三維水道觀測與傳統(tǒng)驗(yàn)潮法的試驗(yàn)性對比研究，從3個方面進(jìn)行了精度分析，結(jié)果表明：GNSS三維水道觀測精度優(yōu)于相關(guān)行業(yè)規(guī)范要求，并相較于傳統(tǒng)驗(yàn)潮法具有明顯優(yōu)勢；在作業(yè)效率方面，GNSS三維水道觀測不受控制點(diǎn)限制，無需人工接測水位，簡化了數(shù)據(jù)后處理程序，顯著提升了外業(yè)測量作業(yè)與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的整體效率；在測量精度方面，GNSS三維水道觀測方法有效減小了船體動態(tài)吃水及水面波浪等豎直方向的誤差，降低了水工建筑物或岸灘對斷水位測量的不利影響。 GNSS三維水道觀測方法在長江中游以及漢江中下游展現(xiàn)出一定可靠性，在后續(xù)工作中可進(jìn)一步推廣普及應(yīng)用。

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（編輯：張 爽）

Bathymetric measurement based on GNSS 3D waterway observation technology

WEI Meng，LI Peng，CUI Zhifang，ZHANG Xiaomeng，ZHANG Lingyuan

（Middle Changjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology of Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to investigate the accuracy of GNSS 3D waterway observation technology in the middle reaches of Yangtze River and the middle and lower reaches of Han River，we based on the current research status of bathymetry at home and abroad，described the basic principles of bathymetry measurement of the traditional tide gauge mode and the GNSS 3D waterway observation mode，obtained the dynamic altimetry data of the GNSS through the Hypack software，and made a detailed analysis of the accuracy of bathymetric data of the two modes in the test area.The results showed that the accuracy of segmental elevation conversion model and the GNSS positioning in the test area were relatively good.Compared with the tide gauge data，the percentage of measurement points with water level difference less than 0.1 m in GNSS 3D waterway observation data was larger than 95%，which met the requirements of relevant industry specifications.It proved that the GNSS 3D waterway observation technology had a certain reliability and accuracy in the middle reaches of Yangtze River and the middle and lower reaches of Han River and can be further popularized and applied.

Key words：

GNSS 3D waterway observation； tide level； bathymetry； middle reaches of Yangtze River； middle and lower reaches of Han River