基于地下水监测站高程引测方法探析

李 野

(辽宁沈阳利鑫土木工程有限公司，辽宁 沈阳 110179)

1 概述

营口市现有地下水监测站51处，大多数分布在山丘区，小部分分布在平原区。其中人工观测站13处，自动监测站38处。

根据《国家地下水监测工程(水利部分)辽宁省初步设计报告》中建井原则，选取营口市现有地下水自动监测站15处作为改建井，新建23处。其中，新建井中大石桥市新建9处、盖州市新建10处、鲅鱼圈区新建4处；改建井中大石桥市改建6处、盖州市改建8处、鲅鱼圈区改建1处。

2 引测方法

2.1 测量方式选择

根据SL197- 2013《水利水电工程测量规范》[1]中5.5条规定，GNSS高程拟合高程测量方式可完成五等、图根及测站级高程测量；基于大地水准面精化模型的GNSS高程测量方式可完成四等、五等、图根及测站级高程测量。GNSS高程测量适用范围见表1。

表1 GNSS高程测量方法的适用范围

采用此种测量方式能够满足山区五等高程测量、平原四等高程测量的精度要求。因此，辽宁省采用基于大地水准面精化模型的GNSS高程测量方式进行高程引测及坐标测量工作。

2.2 坐标系选择

(1)大地坐标系：2000国家大地坐标系，采用地理坐标，经纬度值采用“度”为单位，至少保留7位小数，采用3度分度带，中央子午线为123°；

(2)高程基准采用1985国家高程基准，高程值m。

2.3 技术路线

(1)利用辽宁省CORS站网进行实时动态网络RTK观测采集监测站水准点、井口中心点坐标数据，每次测量前及测量后，均进行至少一个同等级或高等级已知点的检核。使用水准测量方式测量井口固定点、地面高程，做好观测现场记录。

(2)数据采集结束后对测量原始数据进行合理性分析，发现原始不合理数据分析原因，重新进行数据采集。

(3)测量数据合理后进行数据整理，交由辽宁省测绘地理信息局采用基于大地水准面精化模型进行高程基准转换。

(4)高程基准转换数据后，抽取部分地下水监测站高程测量成果，以水准测量方式复核。

(5)对测量成果进行精度分析，分析成果精度是否满足要求。

3 测绘方案及指标符合性分析

本次充分利用GNSS测量技术，采用辽宁省测绘院LNCORS网，以连续运行参考站作为基准站，使用网络RTK测量方式对监测站水准点进行施测，获得CGCS2000坐标及高程，由辽宁省测绘地理信息局通过辽宁区域似大地水准面精化模型进行高程基准转换。测量结束后由监测站水准点引测地面高程、井口固定点高程。

当周围条件不具备GNSS高程测量条件时，使用水准测量方式引测水准点高程。

采用水准测量方式引测地下水监测站水准点高程，达到GB/T12898- 2009《国家三、四等水准测量规范》[2]中四等水准测量精度要求。

3.1 控制测量

3.1.1 LNCORS

LNCORS是利用全球导航卫星系统技术[3]，在辽宁建立永久性的卫星导航定位连续运行基准站，系统数据处理和控制中心，利用数据通信与系统控制和数据处理中心组成网络，共享基准站数据，利用站网管理软件对基准站数据资源进行处理形成产品和服务能力，然后向各种用户发布不同类型的原始数据及RTK差分改正数据等。其主要功能是向系统覆盖区域内的用户提供各种不同精度的实时定位服务。

3.1.2 辽宁区域似大地水准面精化模型

辽宁区域似大地水准面精化模型是充分利用辽宁省及周边省份已有国家一、二等天文大地点1907个，三、四等三角点2423个，以国家GNSS连续运行参考站，中国大陆构造环境监测网络、沈阳市CORS站、大连市CORS站，辽宁省省内多条国家一等和二等水准路线和作为联测水准路线起算点的多个基岩点，以及地质物探部门在全省大部分区域已进行的1∶20万重力普查资料，已经建成的分辨率为25m的1∶5万DEM数据库等数据为参考建立完成的。高程测量精度指标：城市±5.0cm；平原、丘陵±8.0cm；山区±15.0cm。

3.2 目标点测量

3.2.1 GPS测量

使用天宝R8s双频接收机进行测量，新建工程时，选择坐标系统为CGS2000坐标系统，采用3度分度带，中央子午线设置123°。

测量前均对仪器进行初始化，并得到固定解，当长时间不能获得固定解时，断开通信链接，再次进行初始化操作直至得到固定解。作业过程中，如出现卫星信号失锁，重新初始化并经重合点测量检验合格后进行测量。

测量时流动站采用三脚架架设在待测水准点上对中、整平，每次观测历元数应不少于20个，采样间隔2～5s，每个待测点至少采集3次数据。各次测量的平面坐标较差不大于4cm，取其平均数作为采用值。

丈量天线高度，均从天线的三面丈量3次，在三次较差不大于3mm时，取平均值为最后结果。结束观测时，再丈量一次天线高，以作校核。

在观测过程中，经常检查有效卫星的历元数是否符合要求，卫星数量是否满足要求，以保证观测精度。

高程及坐标测量同时进行，做好观测现场记录并提交电子资料(包括：点号、点名、起始时间、设备商及型号、天线高、量取方式及类型)。每次测量结束后立刻将手薄中数据按要求格式统一输入至计算机中备份，防止数据丢失。

每次测量前及测量后，均应进行至少一个同等级或高等级已知点的检核，高程较差不大于10.0cm。本次测量38处监测站全部采用GNSS方式测量，其中36处监测站直接采用GPS测量水准点，2处采用水准仪将固定点引测至水准点。

3.2.2 水准测量

使用水准测量方式测量监测站的地面高程及井口固定点高程。

使用水准测量方式进行高程引测时，按照GB/T12898- 2009《国家三、四等水准测量规范》[2]中四等水准测量要求，引测高程至监测站水准点，然后由水准点引测井口固定点高程、地面高程。

4 成果合理性分析

4.1 误差来源控制

GNSS卫星自身存在的误差主要包括：卫星轨道误差、卫星钟的误差、相对论效应[3]等。

在GNSS测量中，我们使用几何精度因子(DOP，dilution of precision)来衡量观测卫星的空间几何分布对定位精度的影响。DOP分为PDOP、TDOP、VDOP、HDOP四种，其中DOP值的大小与GPS定位的误差成正比，DOP值越大，定位误差越大，定位的精度就越低。本次测量时均记录了PDOP值，范围为1.4～2.6，说明卫星几何分布较好。

表2 误差分析结果

表3 GNSS测量精度评定表

4.2 测量数据合理性分析

对野外采集的数据进行中误差计算，计算公式如下：

(1)

式中，Δ—各测量值与测量平均值的差值；Δh—中误差；n—测量值个数。

本次各水准点测量数据的中误差均小于SL197- 2013《水利水电工程测量规范》中允许中误差±3cm的规定，所有测量结果均满足规范要求。

4.3 高程基准转换

测量结束后，将网络RTK(LNCORS)法测定的新建控制点国家2000大地坐标系(CGCS2000)坐标(包括大地经纬度和大地高程)交由辽宁省测绘地理信息局通过辽宁区域似大地水准面精化模型进行高程基准转换。转换后高程基准为1985高程基准。

4.4 精度评定

根据SL197- 2013中5.5.6条要求，利用基于大地水准面精化模型的GNSS高程测量[6]，应求出控制点之间的相对高差，并从高一级控制点上起算，按附和水准路线进行计算，其路线闭合差应满足相应等级要求[7]。

为满足规范要求，每次测量前及测量后，均进行至少一个辽宁省水准点检核。

高程引测精度为山区五等水准测量精度、平原四等水准测量精度。

由辽宁省测绘成果目录服务系统网站查找距离本次测量选用的辽宁省二等水准点最近的一等水准点，根据水准点位置计算相应等级的允许误差[8]，分析其是否满足测量精度要求。

四等水准闭合差计算公式如下：

(2)

式中，h允—允许闭合差；K—测段长度。

山区水准路线五等水准闭合差计算公式如下：

(3)

式中，h允—允许闭合差；L—山区水准路线长度。

误差分析结果见表2。

由上述计算结果分析，测量结果均满足平原达到四等水准测量、山区达到五等水准测量要求。

5 结语

针对本次GNSS测量成果，抽取部分监测站水准点使用水准测量方式复核测量成果[9]，以山区五等水准测量、平原四等水准测量方式由辽宁省二等水准点引测至地下水监测站水准点，测量成果及与GNSS测量成果对比见表3。

由复核成果可知，本次抽取的地下水监测站水准点的GNSS高程成果满足项目精度要求[10](平原达到四等水准测量、山区达到五等水准测量要求)。

[1] SL 197- 2013. 水利水电工程测量规范 [S].

[2] GB/T 12898- 2009. 国家三、四等水准测量规范 [S].

[3] 焦迎乐. GPS静态测量技术在高程测量中的应用[J]. 水利信息化, 2011(04): 41- 44.

[4] 张前勇, 汪雷. GPS高程测量精度分析[J]. 湖北民族学院学报(自然科学版), 2008(04): 422- 425.

[5] 田新亚, 姜川. GPS水准在高程测量中的应用[J]. 地下水, 2008(05): 123- 125.

[6] 魏胜利, 苏伟杰. 分布式地下水模拟模型MODFLOW介绍与应用[J].水利规划与设计, 2011(03): 30- 32.

[7] 严锋, 郭玉法, 刘波, 等.GIS技术在地下水资源研究中的应用现状及前景[J]. 水利技术监督, 2005(05): 63- 65.

[8] 张凌霄. GIS技术在辽宁太子河左岸洪水风险图编制中的应用[J]. 水利技术监督, 2016(02): 36- 37， 40.

[9] 朱庆利, 朱琳, 田质胜. 基于GIS的数字产汇流技术[J]. 水利规划与设计, 2007(02): 69- 72.

[10] 张世平. 入海口海防堤顶高程计算方法[J]. 水利规划与设计, 2016(04): 95- 97.