应用GPS技术实现跨鄱阳湖高程基准的精确传递

2012-12-06张云胜

测绘工程 2012年6期

袁钢，王伟，张云胜

（1.江西省核工业地质局，江西南昌 330046；2.江西省交通设计院，江西南昌 330002；3.江西省宜春市城乡规划建设局，江西宜春 336000）

近两年随着鄱阳湖生态经济区建设的国家区域性战略规划的实施，一批重大生态经济建设工程扎实推进，为配合鄱阳湖水利枢纽工程、高速公路跨湖特大桥等基础建设的前期工作，开展了环鄱阳湖三等水准测量、鄱阳湖湖区似大地水准面精化、鄱阳湖数字地面模型等基础测绘项目的实施与研究，掌握了一大批数据，为湖区的工程建设、长远治理和保护提供了强有力的测绘保障。

鄱阳湖位于长江中下游南岸，江西省北部，形似一个歪脖的葫芦，湖盆区分为南北两部分，南部宽广为湖区，北部狭长为湖水入长江水道区。鄱阳湖南北长173km左右，东西最宽处约74km，湖岸线长约1200km，流域面积为16.22万km2。正因其独特的地理环境，宽阔的湖面形成了东西两岸高程基准精确传递的天然屏障，若仅靠现有的环湖一千多公里的三等水准联系两岸高程精度偏低、可靠性差，难以满足跨湖大坝、大桥及隧道等特大型工程的建设要求。因此，迫切需要进行湖盆核心区两岸的高程精密联测，建立统一的高程基准，以满足高精度工程施工放样的需要。

1 GPS跨河水准测量法的原理与特点

GPS技术具有三维定位功能，具有快速、全天候测量、劳动强度低等优点。GPS跨河水准测量技术相对传统方法而言，受外界气候条件影响小，场地布设比较灵活，观测周期短，仪器、标尺无需频繁调岸，误差积累不像用光学水准测量受大气垂直折光影响那样显著。

GPS跨河水准测量法的基本原理是精密测定两岸位于大致一条直线上及间距大致与跨河距离相等的跨河水准点（即包括跨河点和非跨河点）之间的大地高差，同时用水准仪精密测定同岸跨河水准点间的正常高差，以求出各同岸跨河水准点间的高程异常变化率，再取其平均值修正跨河点间大地高差，最终求出跨河点之间的正常高差。图1中AB方向的高程异常变化率

图1 跨河方向轴线上地形断面及高程异常变化示意图

式中：SAB为A、B点间的平距；ΔHAB为A、B点间的大地高差；ΔhAB为A、B点间的正常高差。

最后将两岸得到的不同的高程异常变化率取其平均值¯α作为跨河河段的高程异常变化率。则跨河点B、C间高程异常差

由上式计算跨河点之间的跨河水准高差

由于似大地水准面是一个不规则的曲面，高程异常随着地区地形以及地质密度等的不同而存在起伏变化。从式（1）、（2）、（3）看出，要实现由ΔH到Δh的精准转换，关键在于推出的Δξ的准确性。因此，首先要保证选取的跨河方向轴线上高程异常变化应近似线性，且斜度基本一致；同时要精确获取GPS水准点间的大地高差和同岸点间的正常高差。

2 跨河场地的选择与布置

借助分辨率为2.5′×2.5′，精度达到3.1cm的鄱阳湖湖区似大地水准面精化成果及数字地面模型分析，跨河水准工作场地的有利位置在鄱阳湖北部入江水道咽喉部的老爷庙处，枯水期跨湖距离在5km左右，离湖盆核心区较近。湖两岸为海拔高度在20～100m间的低矮山丘，地形开阔，变化平缓，设置的跨河水准点之间高差最大仅有十几米，两岸地貌形态基本相似。同时，湖两岸跨河方向轴线上似大地水准面变化光滑平缓，这些都为保障GPS跨河水准测量精度提供了有利的前提条件。

跨河水准点的布设如图2所示。跨河点B、C设在湖盆两侧近岸制高点上，枯水期离水面达20多米，B与C之间的距离4 899m；东岸非跨河点A1、A2与跨河点B之间的距离分别为4 913m和4 916m，A1、A2分布在跨河方向轴线两侧，垂距分别为41.6m和57.5m，基本对称；西岸非跨河点D1、D2与跨河点C之间距离分别为4 861m和4 938m，D1、D2亦分布在跨河方向轴线两侧，垂距分别为114.0m和84.1m。

图2 跨河水准点分布及观测网

为提高仪器对中和量高精度，并减弱风力对观测仪器的影响，跨河水准点均埋设具有强制对中装置的混凝土观测墩。另外，在距跨河点200m左右处，各埋设了一座水准标石，以便在观测期间进行跨河点位的稳定性检测。

3 观测及数据处理

2011－11至2012－01正遇鄱阳湖历史上罕见的枯水期，标石埋设进入稳定期后，采用4台Trimble R8型双频GPS接收机观测。GPS整网观测前、后对同岸GPS跨河点与水准点之间的高差进行了联测检查，高差变化量均在2mm以下。同步观测图形均由同岸的3个跨河水准点与另一岸的跨河点组成，并按照跨河距离整公里数的4倍确定最少观测时段数。考虑到既便于作业、减少调岸次数，又能均匀分布每个重复同步观测图形在各时间段中，采取每个同步图形连续观测10h作为一个大时段，然后，调岸观测另一同步观测图形，这样来回调岸3次，每个同步图形完成2个不相连的大时段。室内将大时段按120min时长分解同步观测时段总数20个，保证了每一个同步观测图形各基线边有足够时段的重复基线处理结果。

跨河水准点标志设在强制归心装置的上盘，方便用不锈钢钢板尺量取天线高。外业精确量取水准点标志至天线护圈中心的直高，内业计算时根据仪器供应商提供的参数，修正至天线座底部的直高。

为获取高精度的站点WGS－84坐标，将跨河水准点纳入到二等GPS平面控制网内，与江西CORS站联测。基线解算前，利用美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体研制的GNSS数据预处理软件TEQC进行Rinex观测数据的切割及质量检核，以2h为一单元，将连续观测数据截断并划分为多个时段进行基线解算，质量检核可以反映出GPS数据的电离层延迟、多路径影响、接收机周跳、卫星信号信噪比等信息。并从IGS官网上按GPS累积周查找到要下载的精密星历文件igs？？？？？.sp3.z（igs为事后精密星历，？？？？？前四位为GPS累积周，后一位为周几，sp3为文件格式，z表示压缩文件），作为基线解算的起始值。它是目前使用最广泛的精密星历，每隔15min给出卫星在空间的三维坐标、三维速度及钟差改正等信息，通常延迟2～3周发布。

基线处理后，须对所有基线解算结果的质量进行同步环、异步环闭合差及重复基线长度、大地高差互差的检验，以及根据三维无约束平差后各基线向量改正数及其它精度信息，剔除含有粗差的基线。

同岸水准点之间的正常高差使用DINI03数字水准仪按一等水准测量要求进行联测，并在高差观测值中加入水准标尺长度改正、水准面不平行改正及重力异常改正等。