四川省水文(位)站高程基準統一實踐分析

胡道科,扈亞琴

(四川省水文水資源勘測中心,成都 610036)

1 基本情況

1.1 項目概況

四川省水文系統各類水文(位)站點共664個,長期以來水位基準多采用黃海、吳淞、假定等不同的高程系統,導致流域內上下游水位無法直接比較使用,嚴重影響水文監測預警預報、防汛減災及水資源管理等工作。本項目結合四川省水利廳組織開展的全省水旱災害風險普查工作,將四川省水文系統的水文(位)站通過高程測量統一到1985國家高程系統。

1.2 測區概況

四川省位于中國大陸地勢第一級青藏高原和第三級長江中下游平原的過渡帶,西高東低,地貌復雜。西部為高原、山地,海拔多在3 000 m以上;東部為盆地、丘陵,海拔多在500～2 000 m。

四川省河流眾多,以長江水系為主,流域面積100 km2以上的河流有1 368條,流域面積500 km2以上的河流285條,流域面積10 000 km2以上的河流有20條,除西北部的白河、黑河由南向北注入黃河外,其余均屬長江水系[1]。東部盆地區主要河流有岷江、青衣江、沱江、涪江、嘉陵江、渠江;西部高原和高山峽谷區主要河流有大渡河、雅礱江、金沙江及安寧河。

川西北高原高山地區由于地形條件惡劣,干線公路技術等級低,路網稀疏,路況較差,落石滑坡路段多,通行安全隱患較大。本項目中三州地區的水文(位)站點數量占全省總量的1/4,點間距離遠,點位觀測條件差,實施難度高,通行時間和費用成本高,是整個項目的困難點。四川盆地、川東和川南地區高速、國道、省道、縣道、村村通等路網完善,路況條件較好,外業觀測效率相對川西較高。

2 工作內容

收集全省水文系統664個水文(位)站的基本信息,對GNSS[2]外業靜態觀測數據和SCCORS同時段數據進行聯測解算獲取水文(位)站水準點的CGCS2000平面坐標和大地高,利用四川省衛星定位連續運行基準站系統(SCCORS)[3]的似大地水準面精化模型[4]將水準點的大地高擬合為1985基準高程,實現全省664個水文(位)站水準點高程系統統一到1985國家高程基準。

3 基準與精度指標

3.1 坐標系統

坐標系統采用2000國家大地坐標系統。

表1 2000國家大地坐標系橢球參數

3.2 高程基準

高程系統采用1985國家高程基準,高程轉換利用SCCORS系統似大地水準面精化模型進行擬合轉換。擬合精度見圖1。

圖1 四川似大地水準面擬合精度

3.3 時間基準

GNSS觀測采用協調世界時(UTC),外業觀測記錄采用北京標準時(BST)。

3.4 聯測基準站

根據四川省衛星定位連續運行基準站系統(SCCORS)186個基準站作為本次項目平面控制和高程統一的起算點。

CORS系統是連續運行參考站系統(Continuously Operating Reference Stations),即由一個或若干個固定的24 h連續運行的GNSS基準站,利用計算機、數據通訊和互聯網(LAN/WAN)技術組成網絡,實時地向不同類型、不同層次的用戶提供經過檢驗的不同類型的GNSS觀測值、各種改正數、狀態信息及其他有關GNSS服務項目的系統[5]。目前四川省已基本建成186個兼容北斗的多模衛星連續運行基準站(SCCORS系統),能夠為全省提供可靠和高效的空間位置靜態和動態服務,滿足用戶對高精度、穩定、連續的觀測數據需求。

3.5 主要精度指標

GNSS控制網測量精度指標達到E級標準,滿足表2要求。

表2 GNSS控制網測量精度指標要求

4 項目實施

4.1 測量方案的比較選取

在項目實施之前,項目組提前搜集了全省水文系統的664個水文(位)站點基礎信息、664個站點的分布狀況,各測區的地形、氣候、交通等資料。省水文系統水文(位)站點數量眾多,分散在全省21個市(州),甘孜、阿壩、涼山等地區交通條件困難,且大部分站點距離國家基本水準點距離較遠,采用傳統水準測量方法進行測量耗時長、花費人力物力巨大。經對傳統水準測量、GNSS靜態測量、GNSS RTK動態測量、基于SCCORS系統的靜態測量等方案進行綜合比較分析,采用基于SCCORS系統的靜態擬合測量方案最優,測量精度較高,測量方式靈活,不受地域、起算點等因素影響,測量效率高,經濟成本低。最終,確定全省水文系統664個水文(位)站高程統一工作采用基于SCCORS系統的靜態測量方式。各測量方案優缺點對照見表3。

表3 各測量方案優缺點對照

4.2 技術路線

項目組根據SCCORS已有基準站及施測水準點的分布位置、與參考站之間的距離、地形高差對觀測精度的影響因素,及似大地水準面精化成果在不同測區精度指標的差異,確定相應站點GNSS觀測時長,最大可能提升數據精度。在川西北高原高山地區,由于地勢起伏大,CORS基準站分布較少,基線距離長,外業觀測參照D級控制網要求執行(甘孜州、阿壩州、涼山州和綿陽西北部地區),四川盆地和川東地區參照E級控制網要求執行外業觀測作業,靜態觀測采集GPS+BDS衛星數據聯合處理,內業參照E級控制網標準進行數據解算。

四川省水文系統的水文(位)站已建成的水準點部分位于站房墻角、河堤、坎下、樹林等不利于GNSS觀測的位置,此類水準點的85基準高程值的確認通過在附近選擇開闊地帶設置臨時GNSS觀測點,通過基于SCCORS系統靜態測量方式觀測并解算得到臨時觀測點85基準高程值,再采用三等水準測量方式將臨時觀測點的85基準高程值引測到水準點從而得到水準點85基準高程值。項目實施技術路線見圖2所示。

圖2 技術路線

5 質量控制及評定

5.1 內業解算

在外業數據采集完成后, 自然資源部第三大地測量隊 CORS 中心解算人員聯合各觀測點的GNSS觀測數據與周邊SCCORS 基準站的同步數據進行數據的基線解算、平面和高程約束網平差、精度評定、85高程轉換、輸出解算報告和高程成果表。根據解算報告進行精度評定,對中誤差超限的觀測點,根據觀測數據質量檢查和現場情況判定原因(如周圍有植被或建筑遮擋、高壓線、信號塔等電磁干擾等),確定原因后避開干擾源重新選擇觀測點并進行復測。

5.2 外業校測

在外業觀測及內業解算工作結束后,項目組隨機抽取了漢王場(二)、高景關(四)、和平、街子4個水文站的水準點,采用基于SCCORS系統靜態測量方式,延長靜態測量觀測時長對該4個水準點進行復測,解算出85高程值作對比(如表4)。經過對比驗證,原觀測成果可靠,可以采用。

表4 水準點校測結果比較

5.3 外業RTK大地高檢查及水準測量高差核對

在自然資源部第三大地測量隊CORS中心完成GNSS成果解算后,地區水文中心將計算得出的水準點高程成果整理復核,并使用RTK到水文(位)站現場逐個核對成果表中高程點、臨時點大地高程值及水準觀測高差值。在檢查、復核設有臨時觀測點的水準測量數據時,發現部分點位在三等水準測量時未按要求從高程點往臨時點進行返測,導致高差值正負號記反,地區水文中心組織逐個核查522個設置有臨時觀測點的《水準測量記錄表》數據,對有誤數據全部做了校正。

5.4 成果質量評價

除G689外,所有相鄰點基線垂直分量中誤差都≤限差±40 mm,滿足E級網規范標準(見表5)。點位平均高度誤差0.028 6 m,最弱高度誤差0.107 m,最優高度誤差0.007 m。

表5 各市州整體數據相鄰點基線垂直分量中誤差及限差

本次水文(位)站高程統一測量技術路線正確,成果資料齊全,數據真實可靠,各項技術參數基本滿足《水利水電工程測量規范》(SL 197-2013)要求,可滿足四川省防汛減災、水資源管理等工作需要。

6 結語

四川省水文(位)站點數量眾多,分布范圍廣,且大部分距離國家基本水準網較遠,采用傳統水準測量方法雖然精度高,但存在工作量大、資金投入大、人力成本高、時間周期長等缺點。SCCORS系統由最初的建立到逐步加密,逐步優化精化模型,已能夠為全省提供可靠且高效的空間位置動態和靜態服務。

本次四川省水文系統664個水文(位)站點高程統一工作采用GNSS聯測SCCORS基準站,再結合似大地水準面精化模型進行高程擬合轉換得到水文(位)站85高程的工作方式節約了項目實施時間,減少了資金和人力成本,為防汛減災、水資源管理提供了可靠的數據支撐。