多种测量方法在山洪灾害调查测量中的协同应用

罗　兴　　吴士夫　　戴永洪

(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)



多种测量方法在山洪灾害调查测量中的协同应用

罗兴吴士夫戴永洪

(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)

摘要：为更好地开展山洪灾害外业调查工作，提高沟道断面测量和居民户宅基地高程测量的精度，满足分析评价要求，在介绍全站仪、GPS-RTK、HBCORS等测绘仪器及其工作原理的基础上，结合山洪灾害调查评价的应用需求，总结了在湖北省恩施市开展山洪灾害调查测量的实践，提出应综合不同测区范围和环境，充分发挥各种测量手段的优势，协同配合应用开展外业测量工作，从而提高工作效率，可为山洪灾害调查工作人员借鉴。

关键词：山洪灾害；灾害调查测量；断面测量；分析评价；测量方法

1　概　述

山洪灾害调查分析评价是防御山洪灾害必不可少的基础性工作，是山洪灾害提前预警，实现人员安全转移的重要保障和支撑。在开展分析评价工作中，需要对影响沿河村落的沟道进行纵横断面测量及居民户宅基地高程测量，以满足小流域暴雨洪水分析计算、现状防洪能力评价、危险区划分和预警指标分析的要求。

依据《全国中小河流治理和病险水库除险加固、山洪地质灾害防御和综合治理总体规划》以及《全国山洪灾害防治项目实施方案(2013～2015年)》，山洪灾害调查包括防治区山洪灾害调查和重点防治区山洪灾害详查。重点防治区山洪灾害详查是对重点防治区内受威胁的居民区人口、住房进行现场详查；对重要城(集)镇、沿河村落进行河道纵横断面及水面线测量；对沿河居民户宅基地位置和基础高程进行测量。测量精度要求为：平面控制点相对于起算点的点位中误差不超过 0.2 m；高程控制点相对于起算点的高程中误差不超过 0.1 m。

山洪灾害往往发生在远离城市的山区，基本没有测量控制点，且CORS网络覆盖不全，信号不稳。随着现代科技水平的不断提高，测绘技术与方法也越来越先进且多样化。2014年在湖北省恩施州山洪灾害调查测量中，针对特殊测区环境，主要采取了全站仪法和GPS-RTK法等一体化测量方法，并就这些测量方法的扩展功能进行了对比，可供测量人员参考。

2　全站仪法

全站仪法是常见的测量方法，作为集光、机、电为一体的高技术测量仪器，可以测量水平角、垂直角、距离(斜距)和高差。由于工作时，只需要一次安置，就可以完成该测站上所有的测量工作，故被称为“全站仪”。

2.1分类

从外业使用时是否需要棱镜来划分，全站仪可以分为经典型和无合作目标型全站仪两种。经典型全站仪也叫常规全站仪，具备全站仪电子测角、电子测距和数据自动记录等基本功能，工作时需要安置反射棱镜。无合作目标型全站仪也称为免棱镜型全站仪，可以在无反射棱镜的条件下，对一般目标直接测距，因此，对不便于安置反射棱镜的目标进行测量，具有明显优势。在山区测量时，对测量人员无法达到的悬崖峭壁的地形，为测得其完整断面形态，不能漏掉特征点，在这种情况下，免棱镜型全站仪就可以解决此类问题。

2.2外业工作流程

全站仪外业操作程序简单，流程主要包括：设定测站点的三维坐标、设置仪器改正参数、丈量仪器高和棱镜高并输入全站仪、设定后视点的坐标或设定后视方位角，照准目标棱镜、开始测量并计算显示测点的三维坐标。

2.3优缺点

全站仪的优点较多，具体如下： ①测量精度较高。全站仪标示精度一般用(A+Bppm×D)mm来表示，当被测量距离为1 km时，仪器的测距精度为1 mm+2 ppm×1(km)=3 mm,也就是说，全站仪测距1 km，最大测距误差不大于3 mm，完全满足山洪灾害高程测量精度要求(不大于 0.1 m)。②不受高楼、树林和高山覆盖遮挡等因素影响。

全站仪也有以下缺点：①测站和目标必须通视；②测程较短，需要不停换站。

3　GPS-RTK法

GPS-RTK(Real Time Kinematic)也叫全球定位系统实时动态差分系统，是一种应用较为广泛的GPS测量方法，能够在野外实时得到cm级定位精度的测量方法。采用载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，较大地提高了外业作业效率[1]。该法可以分为传统RTK和网络RTK。

3.1传统RTK

传统RTK系统是由一个基准站和多个流动站组成的(见图1)。工作时，基准站固定不动，负责发送数据，流动站到待测点上测量，接受基准站的数据，差分到要求的精度后，就可采集测量。技术操作较为简便，测量人员只需将天线对中、整平，然后开启电源就可实现自动测量，大大降低了测量人员的工作量，实现了智能化[2]。缺点是随着基准站和流动站距离(一般控制在5 km范围内)的增加，测量误差越来越大，精度降低，但可满足调查分析的精度要求。

图1　传统RTK工作模式

3.2网络RTK

为克服传统RTK作业距离有限的缺陷，提出了网络RTK的概念[3]。网络RTK的原理是在一个广阔的区域内(可以是一个省或市)，均匀布设多个基准站，构成一个基准站网，借鉴广域差分GPS和具有多个基准站的局域差分原理和方法，消除各种系统误差的影响，获得高精度的定位结果[4]。连续运行卫星定位服务综合系统(CORS系统)则是利用网络RTK的原理和方法发展起来的一种新型测绘方式。利用CORS开展野外测量时，不用携带基准站设备，只需在测量前设置好连接CORS网络的参数，便可开展测量。相比传统RTK，实现了单机操作，提高了工作效率。

3.3优缺点

GPS-RTK法的优点如下：①采集速度快，每秒就可记录一组观测数据；②作业范围广，减少图根点测量和架站的工作量；③多点协同工作，相互之间不受影响，无积累误差；④实现单人操作，节省人力物力；⑤流动台和基准台不用通视。

缺点有以下几点：①接收机需要接受卫星信号，在高楼密集区域、高山峡谷或有树林遮挡的情况下，卫星信号较差，难以达到差分固定解状态，工作效率会大幅降低；②当在深山里时移动信号较差或者无信号时，无法连接CORS服务器，需在附近寻找地势较高的位置接收CORS信号采集坐标，并通过架设RTK基准站的方式施测。表1示出了HBCORS高程测量技术要求及误差[5]。

表1　HBCORS高程测量技术要求及误差

为检校HBCORS(湖北CORS)测量精度，分别在恩施市、巴东县、咸丰县收集了部分高等级控制点校核，比测平面、高程精度均小于 0.1 m。表2汇总了长江委水文三峡局巴东蒸发站的比测成果(点名：GPS-D SX028)，精度符合要求。

表2　HBCORS高程比测

4　水下测点测量方法

通常，沟道河底高程测量和水面线测量同时进行，两者测量误差均要求不超过0.1 m。主要工作模式是利用全站仪或GPS测量水面高程，利用测深仪器测量水深，水面高程减水深即为河底高程。当河流水深较浅时(不大于1 m)，水深测量可采用测深杆和测深锤施测；当水深较深，不适合采用浅水水深测量模式时，可以利用便携式回声仪施测。该回声仪体积轻便、携带方便，水深读数可直接显示在屏幕上，应用方便。

5　应用实例

5.1测区概况

龙洞河流域地处湖北省恩施市舞阳坝街道办事处，地理坐标为东经109.5113°和北纬30.3076°，流域集水面积 25.08 km2，发源于恩施城郊龙洞，在赵家坝有支流芋河沟汇入，汇合后流经龙洞湾、桂花园、五峰山、官坡街，于州城风凌渡桥注入清江。龙洞河常水位下水面宽约8 m，最大水深达5 m。河两岸有稀疏高大杨树遮挡，且有大量居民居住。为保障居民生命财产安全，需对龙洞河开展河底高程测量、水面线测量和横断面测量。

5.2测量方案对比

(1) HBCORS测量。由于龙洞河两岸没有控制点，因此可采用HBCORS布置测量控制点。测量时，受环境因素影响较大，在树林、高大建筑物附近，HBCORS均难以达到固定解状态，特别是测纵断面河底高程和水面线时，需要在树底下穿行测量，信号更难搜索，故该法只能用来做控制点。

(2) 全站仪法。该法可克服树林和高大建筑物遮挡，但由于龙洞河河势曲折、弯道较多，通视条件较差，架设一站只能测量100 m的范围，需要不停换站，效率太低，因此该法只能用来在树林特别茂密的地方补测点。

(3) 传统RTK法。该法需架设基准站，而基准站的位置要相对较高，开阔且无遮挡。龙洞河需测量纵断面长度约为8 km，基准站只能架设在河段中间位置。

5.3测量方法确定

综合龙洞河附近地形，最终确定将基准站架设在金凤大道路边，距离水面高差将近80 m，地势开阔。首先采用HBCORS在金凤大道路边做一对控制点，然后架设基准台，采用传统RTK测量模式，校正参数、比测。工作模式采取“一拖二”模式，即一部流动台测量横断面，另一部流动台测量纵断面和水面线。在树林特别茂密的地方，采用RTK做控制，全站仪测量。在其他测区，直接采用流动台测量。水深测量采用便携式回声仪配合RTK测量模式，水深数值记录在RTK手薄编码中。最终在2 d时间内，完成龙洞河流域纵横断面测量任务。总之，通过多种仪器的优缺点互补和协同配合，完成了预期测量任务。

6　结　论

根据不同测区条件，采用不同测量方式。当一种测量方式不能满足需要时，需综合测区条件，及时增加第2种测量方式。

(1) CORS系统在山区信号较弱，可用来放点做控制[6]。当某测区确实接收不到信号时，可在附近测区做控制，利用传统RTK测量模式引测控制点。引测过程中，注意距离不要超过5 km。

(2) 传统RTK测量模式在小面积测区(5 km范围内)，信号比较强，只是基准站的架设位置需要综合考虑后确定。

(3) 遇到陡峭悬崖或者人员测量不便到达的测区，可采用免棱镜测量方法施测。遇到树林较高较密但不影响通视时，该法也可解决GPS不能使用的困难。

(4) 当一种方法不能满足要求时，可采取多种测量方法协同配合。

参考文献：

[1]金继读，詹家民，吴庆忠. GPS-RTK配合全站仪联合进行数字化测图[J].矿山测量，2003，12(4):3-6.

[2]GB/T18314-2001全球定位系统(GPS)测量规范[S].

[3]柯福阳，王庆等. GNSS网络RTK算法模型及测试分析[J].东南大学学报，2009，39(4)：296-301.

[4]卫柳艳. GPS网络RTK系统的算法及定位精度研究[D].南京：河海大学，2006.

[5]GB50026-2007工程测量规范[S].

[6]谢兴平，叶成涛，叶婧. CORS在湖北省山洪灾害调查评价项目中的应用[J]. 人民长江，2015，46(增)：75-76.

(编辑：唐湘茜)

收稿日期：2016-05-15

作者简介：罗兴，男，长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，工程师.

文章编号：1006-0081(2016)07-0049-03

中图法分类号：S429

文献标志码：A