青海湖容积测量中关键技术的应用

金炎平　　邵永生　　罗　兴　　金　勇　　龙娇荣

(1.长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉　430012；2.浙江省大成建设集团有限责任公司，浙江 杭州　310012)



青海湖容积测量中关键技术的应用

金炎平1邵永生2罗兴1金勇1龙娇荣1

(1.长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉430012；2.浙江省大成建设集团有限责任公司，浙江 杭州310012)

摘要：青海湖是我国最大的咸水湖，由于湖泊面积大，且当地气象变化复杂，以前从未开展过湖泊测量工作。鉴于此，通过对青海湖容积测量工作中关键技术的应用，在湖泊测量与容积量算过程中，对建立控制网、水下地形测量、容积量算3个主要技术节点中的关键技术进行技术总结，可为以后同类型的湖泊测量借鉴。

关键词：咸水湖；地形测量；容积测量；青海湖

2011年12月27日，水利部水文局(水利信息中心)在北京召开《第一次全国水利普查青海省青海湖容积测量》成果审查会，成果获得与会专家认可和赞誉，一致认为项目执行单位在高海拔且复杂的气象条件下，通过精心组织，克服风大浪高的困难，首次系统地对青海湖进行了容积测量，其成果可作为重要的基本国情信息之一，填补了青海湖没有湖泊容积历史资料的空白，对青海湖的综合开发、生态保护等具有重要意义。

青海湖容积测量工作内容包括测区勘察、测区基本控制网建立、青海湖1∶50 000水下地形测绘、青海湖水下地形图与航测地形图套绘、湖泊容积计算等。从工作内容中的技术节点来看，其关键性技术主要体现在湖区基本控制网的建立、水下地形测量和容积量算。本文就这3个方面进行了重点阐述。

1　建立湖区基本控制网的关键技术

1.1网点布设

根据设计要求，在测区范围内布设8个GPS点(如图1)，其中GODK、G175、IGL1 3个点为具有高等级CGCS 2000坐标，TIAN(Ⅱ天岔24)、XIAO(校2)、GODK(Ⅱ天岔46)、IGL1(Ⅰ格兰102基1)具有高等级水准高程。新增设的Q001、Q003、HXS0点以石刻标记点名，标心为测绘钉标。

图1　控制网点位示意

1.2GPS网观测

2011年7月15～16日，测量队员克服种种困难，共观测了3个时段。7月15日测量队利用7台GPS接收机观测了2个时段，同步时段长均为60 min；7月16日利用3台GPS接收机观测了1个时段，同步时段长为72 min，历元间隔均为15 s。经GPS数据预处理软件TEQC 质量检查，观测质量基本满足设计要求[1]。

1.3GPS网数据处理

GPS网数据处理采取了两种方案，具体对比见表1。

表1　GPS网数据处理方案对比

(1) 在方案1中，采用徕卡数据处理软件(LGO),利用广播星历进行基线处理，输出基线解在COSAGPS数据软件进行网平差计算。

(2) 在方案2中，使用精密GPS基线解算软件(GAMIT)，利用精密星历进行基线处理，输出基线解在精密GPS数据平差软件(GLOBK)进行网平差计算。

以上两种数据处理方案，采用的数据星历、基线解算模型、基线处理软件、平差方式、平差软件均不同，处理结果都比较好。经过比对新增网点的成果，差值统计如表2所示。

表2　两种数据处理方案成果差值统计

统计表明，两种结果差值比较小，成果能够相互印证。因此，GPS网数据处理结果是可靠的。

1.4控制网高程基准的建立

控制网点利用的已知水准控制点数目少，采用常值拟合的方法，得到大地高和似大地水准面之间的差距。然后，求取近似水准高和水准高之间的差距平均值(常值拟合)。最后利用计算得到的平均值(改正量)和各点的近似正常高(由青海省似大地水准面计算得到的近似水准高)，便可以得到各控制点的水准高。验证高程拟合精度，选取4个已知大地经纬度、大地高的点，得到的水准高程与已知的水准高程差值，其结果如表3所示，拟合方法精度优于6 cm，满足项目设计要求。

表3　拟合水准高与已知水准高差值

2　水下地形测量中的关键技术

2.1测线设计

青海湖东西向长约109 km，南北向约65 km。沿东西向布置主测线167条、测线间距850 m，测点间距400 m，见图2。

图2　青海湖水深测量主测线布设示意

2.2水位站布设

水位是水域测量的基础。针对高原湖泊——青海湖湖区面积大的特点，为有效控制测量期沿湖泊东西、南北向水位变化，测量队于2011年7月10～15日在湖西端、东北部、东南部及湖心分别布设鸟岛、甘子河河口、下社、海心山4处临时水位站，见图3。其中，下社水位站为青海水文局于1983年迁移设立，观测至今。

图3　青海湖临时水位站布置示意

2.3水位站的校核水准点高程

临时水位站设置校核水准点2点和1组直立式水尺，安装压阻式水位自记仪1套。

鸟岛、甘子河河口水位站的校核水准点高程，布设支线水准路线，使用自动安平水准仪，以四等几何水准精度测量[2]。

海心山水位站的校核水准点高程，以HXS0、鸟岛校1为引据点，采用GPS RTK方式测量。由于鸟岛与海心山之间距离较远(约20 km)，进行GPS RTK 测量时，在数据链传输中使用了中继站技术。该项技术即在基准站与流动站之间，设置一套中继数据传输设备转发基准站的差分信号，扩大RTK基准站差分信号的覆盖范围。工作原理见图4。

图4　中继站工作原理

m

2.4水位观测

测量期，湖区各水位站的水位使用压阻式水位自计仪观测，数据采样间隔1 h。7月15日、7月22日和8月4日，即开展水域测量前、测量中期和结束时，在每一临时水位站测量队使用直立式水尺观测水位，用以率定自记仪测量水位的精度，连续观测30 min(采样间隔5 min)，其人工观测水位与自记水位的误差均小于2 cm,其观测误差见表4。自记仪记录水位与临时水尺水位比对精度统计如表4。

表4　自记仪水位与临时水尺水位对比

2.5平面定位参数求取

使用星站GPS采集测区控制点WGS84坐标，求取平面转换三参数，进行坐标转换，统计其转换残差，结果见表5。从结果可以看出，所求的三参数在整个测区转换精度均优于 0.2 m，与星站差分GPS本身的标称精度相当，说明参数精度较高，满足技术要求。

2.6水深测量

青海湖容积测量采用了Odom ECHOTRAC MKⅢ、Odom HYDROTRAC、HY1600等3种测量仪。 测量仪采用船舷外挂安装在船体中部，传感器入水深 0.5 m。GPS天线位于传感器正上方。

青海湖是中国第一大咸水湖，含盐度约为12.5‰。水深测量中的声速受到水温和含盐度的影响。2011年7月18日，测量队使用水温计在湖区中部分别量取水体表层(入水0.5 m)、底层(入水25 m)水温，其温差为 1.8℃，测深仪测深 25.6 m与测深锤测深较差 0.2 m。

每天水深测量前，使用水温计和盐度仪测量水体水温和盐度，使用GB/T 12327—1998《海道测量规范》规定的声速公式计算应用声速，进行测深检验[3]。测深检验方法是使用测深仪、测锤测量同点水深(水深大于5 m)。如果同点水深互差小于 0.1 m，满足设计书要求后，即进入水深测量。测量时，施仪人员密切监控测深仪、水深测量记录，出现零线漂移、不定标等现象立即停测。排除故障后，重新做水深检测后，再进入水深测量工作。

C=1449.2+4.6T-0.055T2-0.000 29T3+

(1.34-0.01T)(S-35)+0.017D

(1)

式中，C为声速，m/s；T为水体水温，℃；S为水体含盐度，‰；D为测区平均水深，m。

2011年8月4日，使用Odom ECHOTRAC MKⅢ、HY1600两种测深仪在84和85两条测线上同步比测水深，同点水深互差均小于 0.1 m。即两种测深仪测深精度可靠，置入的校正声速等参数正确[4]。

2.7水涯线测量

2000年以来，青海湖湖水位整体稳定，多年平均湖水位 3 194.42 m，年内水位变幅约 0.36 m。采用实测水涯线数据(特别是湖区码头、桥梁等固定建筑物)，与2011年6月青海湖区分辨率为 2.5 m卫片(南京水利科学研究院湖泊研究所提供)的水涯线数据比对，其最大位置误差小于 37.5 m，几何形状基本一致。因此，测量人员不能到达的沼泽区水涯线采用卫片数据。但经对湖区沼泽区域实地调查，沼泽区草高约20～40 cm，草地边沿与水涯线过渡区约有20～75 m带宽，沼泽区水涯线为草地与湖水体的明显分界线，与实际水涯线存在一定偏差。长江中游水文水资源勘测局所在的东部测区内，其北部存在无人沙漠区，同时还采用了国家减灾委员会2011年7月24日摄制的现时卫片(图5)需以验证(该卫片摄制时青海湖上空无云层遮蔽，水体清晰)。

图5　国家减灾委员会2011年7月24日摄制的卫星图片

2.8数据处理

水域地形测量数据主要包括水位观测数据、水深测量数据和定位数据。通常采用水文综合测量软件，对上述数据进行预处理，剔除粗差后，再编辑、合并。

2.8.1水位数据

青海湖地处青藏高原，水域宽广，气候复杂多变。测量期，常遇5～7级阵风，湖面风浪较大，各水位站自动记录的水位过程呈波浪状。先剔除水位数据粗差，按时间序列直线插补缺失的水位数据，再对各站的水位数据平滑处理，处理后的水位数据即为应用水位数据。

2.8.2水深数据

每日测量水深数据，次日完成合理性检查，剔除水深数据粗差。据统计，剔除水深数据粗差量仅为全部水深数据量的2%。按照JTJ203-2001《水运工程测量规范》中水深内业整理要求，当水深测量受风浪影响回波信号呈波浪状时，水深从距波峰1/3波高处量取，逐点核对、改算水深数据[5]。

水深数据改算到成图高程基准的处理方案是：将测点定位数据与水深数据合并，使用Hypack软件导入各水位站应用水位数据文件，以测量时间和测点距测区各水位站距离权重，计算测点应用水位并改算至成图高程基准。

3　湖泊容积量算中的关键技术

3.1量算方法

以2011年7月1∶50 000的湖区地形图为基础资料，以实测的地形散点和等高线作为DEM建模的基础数据，使用GeoHydrology 4.0软件构建DEM模型量算青海湖容积，并分析量算误差。

3.2容积量算

采用规则网格法计算湖泊容积，理论上网格越密计算精度越高，但是湖区地形图的测点间距最小400 m(水域部分)，陆上测点更稀少，所以选择400 m×400 m网格大小，构建整个湖区基于正方形网格的规则网立体模型(DEM模型)，对湖区三维立体表面用不同高程面进行切割，即可得到各高程面下的湖区面积和湖容积。对于某一水面高程，采用棱柱体积计算方式，计算每个网格底面至水面的体积，然后叠加得到某一水位下的总体积，即湖容积。使用GeoHydrology 4.0、Sufer 8.0软件量算青海湖容积成果。两种量算成果略有差异，容积较差的平均差为0.87亿m3，中误差为 0.35亿m3，说明成果是可靠的。

3.3量算精度

3.3.1误差因素

湖泊容积量算精度主要取决于DEM 精度，影响DEM 精度的主要因素为地形图精度(地区类别、成图比例尺)和DEM 生产中的相关因素。

3.3.2精度评价

依据青海湖2011年7月1∶50 000数字化地形图和以此取得的规则400 m×400 m DEM地形网格，选样数据最大高程3 195.00 m，最小高程3 167.48 m。计算数据中抽出28个高程数据，统计两种软件构建的DEM内插高程误差，见表6。

表6　内插点高程误差统计　m

表6统计结果表明，GeoHydrology 4.0软件构建的DEM内插点的高程精度略优于Sufer 8.0软件精度。统计以5 m步长，使用GeoHydrology 4.0软件计算各水位级下容积计算误差(见表7)。

表7　青海湖容积量算误差估算

4　结　论

青海湖容积测量取得成功，得益于以下关键性技术的运用。

(1) 控制网测量阶段，采用精密星历进行解算，并基于青海省似大地水准面精化模型进行高程拟合，所得结果既满足精度要求，也解决了局部控制难于引入的问题，效率倍增。

(2) 水下地形测量阶段，平面定位参数求取精度高，深度测量关键参数控制得当，水位站布设合理，水涯线采用最新影像匹配，精度满足要求。

(3) 容积量算阶段，采用计算的模型精度高，能够用不同软件对结果进行相互验证，保证了结果的严密性。

总之，青海湖容积测量中运用的关键技术，对于西部湖泊测量的开展具有较好的借鉴意义。

参考文献：

[1]GB/T 18314-2009 全球定位系统(GPS)测量规范[S].

[2]GB/T 12898-2009 国家三、四等水准测量规范[S].

[3]GB/T 12327-1998 海道测量规范[S].

[4]周丰年，赵建虎，周才扬.多波束测深系统最优声速公式的确定[J]. 台湾海峡，2001，20(4)：411-419.

[5]JTJ 203-2001 水运工程测量规范[S].

(编辑：唐湘茜)

收稿日期：2016-05-15

作者简介：金炎平，男，长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，高级工程师.

文章编号：1006-0081(2016)07-0022-05

中图法分类号：P331

文献标志码：A