基于RTK无验潮的非恒定流河段水下地形测量

周威　胥洪川　杨广洲　冯国正

摘要：为提高非恒定流河段水下地形测量精度，以金沙江白鹤滩水电站下游河段为例，提出运用RTK无验潮技术来获取水位空间信息，并采用点位高程较差分析、断面套绘分析、数字高程模型（DEM）分析对RTK无验潮法与水位推算法测得结果进行了精度对比。结果表明：高程较差分析中，中误差为0.19 m，但有2％的数据存在3倍以上的中误差;断面套绘分析中，在水位落差较大且落差分布呈非线性区域，根据两种方法所得结果绘制的河底形态呈现出整体抬高或变低现象;DEM分析中，水位推算法推导的水位与RTK无验潮法得到的水位较差主要集中在［-0.4 m，0.4 m］。总的来看，两种方法的测量结果有较好的一致性，RTK无验潮技术在水电站下游非恒定流河段水下地形测量中具有较高的精度。

关键词：水下地形测量； RTK； 无验潮； 非恒定流； 金沙江； 白鹤滩水电站

中图法分类号：TV221

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.002

文章编号：1006-0081（2023）12-0015-05

0引言

水下地形测量中地形点的河底高程一般由水位减对应的水深间接求取，地形点的水深通过测深仪直接测得，而传统的水下地形点的水位则需通过建立测区水位模型推导而得。对于非恒定流河段，传统水位测量方式效率低，不同流量的水位模型建立困难，测深精度难以得到有效保障。随着测量技术的不断发展，利用实时动态差分（Real-time Kinematic，RTK）的無验潮技术可解决水电站下游非恒定流河段高精度测深难题。目前，无验潮技术已在海洋测绘领域应用广泛。田雨等［1］验证了近海区域PPP（Precise Point Positioning，精密单点定位）-RTK模式下无验潮作业方法的可靠性；夏晓亮等［2］运用PPK（Post Processed Kinematic）动态后处理定位无验潮技术解决长距离观测中RTK差分信号失锁而降低测深精度的难题；牛冲［3］利用CORS（Cross-Origin Resource Sharing，连续运行参考站）-RTK无验潮技术得到的成果数据内符合精度不符值比例为2.82%，外符合精度平均值为0.11 m。在某些特殊的河段，传统作业模式下水位推算模型得到的结果与真实水位存在一定差异，成果精度较低。金沙江下游水量丰沛、水力资源丰富，向家坝、溪洛渡、乌东德、白鹤滩水电站相继投产运营。由于受水电站发电调度影响，水电站下游、变动回水区等河段的水位呈非恒定无序变化。因此，本文以金沙江白鹤滩水电站为例，基于水电站下游非恒定流河段水下地形数据，运用RTK无验潮水深测量技术与水位推算法进行精度分析。

1测量原理

RTK无验潮测深系统一般由RTK实时定位系统、测深系统、导航系统等3部分组成。RTK实时定位系统包括卫星、基准站或网络基站CORS系统、全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）流动站；测深系统主要由测深仪、换能器探头、声速测量仪组成；导航系统主要由导航载体测船、导航软件组成。RTK无验潮测深的基本原理是：耦合定位系统获取GNSS接收机三维坐标和测深系统获取测深仪声学中心的水深数据，通过实时或事后解算得到水下地形点的三维坐标。若基准站为网络基站CORS系统，则需获取区域似大地水准面模型以求取测区大地高与正常高的转换关系。

2实例应用

2.1研究区概况

研究区位于云南省与四川省的交界处，金沙江白鹤滩水电站下游河段。由于受水电站发电调度影响，下游河段水位呈非恒定无序变化，最大水深超过30 m，水位落差大约为4 m，最大流速可达5.6 m/s。试验区CORS信号良好，可采用网络基站方式。

2.2数据采集

数据采集的主要内容包括水深数据、水位数据、试验区似大地水准面模型。数据采集之前进行历史资料收集，野外踏勘，水位站选址，网络基站CORS稳定性测试等工作。

本研究利用GNSS流动站采集定位，采用测深仪获取水深数据。测深仪通过记录声波在水中的往返时间来计算水深，在内河流域水中，声速主要考虑水温的影响。水深数据采集前，需要获取水中声速。为了将GNSS所测的大地高改正至水面大地高，水深数据采集前，需要量算换能器吃水深度及GNSS至换能器距离。水位数据通过观测各水位站水尺零点高程及连续记录水位站水位涨落获取。试验区似大地水准面模型通过GNSS控制点水准观测获取测区精确的正常高模型，再拟合高程异常值获取。

单波束测深系统采用海鹰HY1601搭载Trimble R10 GNSS进行水下数据采集，导航软件为hypack。各水位站水尺零点高程采用精密三角高程测量进行获取，观测仪器为1″级的索佳Sokkia CX-101N，水位涨落采用人工观测。试验区GNSS控制点水准观测，采用四等导线代替四等水准的方式。运用各控制点的大地坐标（B，L，H）与平面坐标（X，Y，正常高）建立试验区七参数布尔莎模型。2022年6月上旬完成试验区数据采集工作。

2.3数据处理

采用水位推算法、RTK无验潮法两种方法处理试验区数据，见图2。

2.3.1数据滤波及声速改正

GNSS滤波往往采用保留事件打标点以及滤掉GNSS精度较差的数据。水深中值滤波是水深异常数据滤波的一种处理方式，能够提高水深数据精度。水电站下游水位脉动河段流速大，无较大水温梯度，水深较浅，可默认为水底至水面的声速一致。

2.3.2GNSS延迟改正

在往返测同一断面时，若断面数据同一位置的高程有一点位移偏差，水下地形等高线出现大量不符合真实地形特征的锯齿形状，这是GNSS延迟效应的表现。一般认为，GNSS延迟是由数据传输延时、船速以及测深换能器测量运动过程中没有垂直朝下引起，是一种综合系统误差。它的改正方法常常通过返测同一断面，将它们同一点位移量、速度进行计算得到延迟时间，对延迟时间进行最小二乘拟合得到测深系统的综合延迟时间。由于GNSS延迟是系统误差，该改正只能减弱，不能彻底消除。

2.3.3水位改正

水位推算法中，往往采用河道中心线推算法进行水位改正。其原理是将水下测点投影至河道中心线上，根据投影点与上、下游水位站之间的距离来推导该点的水位。河道中心线推算示意如图3所示。

2.4精度分析

由于水位推算法与RTK无验潮法成果数据均为正常高，本文通过比较两种方法的河底高程来分析水下地形测量精度。采用点位高程较差分析、断面套绘分析、数字高程模型（DEM）分析对试验数据进行精度比较。

2.4.1点位高程较差分析

点位高程较差分析即比较水位推算法与RTK无验潮法在同一点的高程较差。图4为高程较差分布，试验区采样样本有882个，统计结果显示较差主要集中在-0.3～0.4 m，占数据总量的86％。

2.4.2断面套绘分析

断面套绘分析是将不同方法的断面数据按同一零点桩绘制在同一个图上，可以直观表示数据的差异。本文将水位推算法与RTK无验潮法的成果数据按照不同水位站间区域截取的断面套绘，进行对比分析。试验区某一时刻各水位站落差见图5，截取的断面A位于图5中水位站1与水位站2之间，截取的断面B位于图5中水位站2与水位站3之间，断面C位于图5中水位站3与水位站4之间（图6）。

通过对比分析，由于水位站2与水位站3之间河段落差较小，断面B套绘图显示两种方法套绘吻合较好。由于水位站1与水位站2、水位站3与水位站4之间落差较大且落差呈非线性，水位呈波动状态，断面A套绘图中水位推算法计算的河底高程被整体抬高，断面C套绘图中水位推算法计算的河底高程整体变低。在水位波动河段，水位推算法与RTK无验潮法之间存在不确定性差异，这种差异主要是由于水位推算模型与实际水位存在差异造成的。RTK无验潮法的观测精度低于水位控制观测精度，然而在水位推算过程中造成水位精度降低，在某些推算模型无法控制的区域甚至低于RTK无验潮法的观测精度。

2.4.3DEM分析

DEM是地形表面的数字化，以规则格网点高程数值矩阵来表示地表起伏形态特征信息。DEM分析即将水位推算法与RTK无验潮法所生成的成果数据转化为DEM栅格数据，分析数据的三维空间特征。将水位推算法、RTK无验潮法数据空间栅格计算得到DEM，如图7所示。运用栅格计算器进行空间分析得到数据之间较差DEM模型。

对水位推算法与RTK无验潮法得到的DEM模型592 m以下范围进行空间体积计算，水位推算法得到DEM模型体积为1 615 763 m3，RTK无验潮法DEM模型体积为1 607 027 m3，体积差约为054％。

对水位推算法与RTK无验潮法较差DEM模型按照河道中心线截取分析，得到试验区河道中心线里程-高程较差图（图8）。图8可以代表水位推算法推导水位与RTK无验潮法观测水位之间的差异。图8中，较差主要集中在［-0.4 m，0.4 m］，且差异大小随河道里程随机波动。可见在受水库调节影响的非恒定流河段，水位推算法难以用线性方式代表真实水位信息。

RTK无验潮法与水位推算法在非恒定流河段水下地形测量的数据具有较好的一致性，但是某些区域仍存在较大差异。造成差异的主要原因是，在落差较大、且水位变化呈非线性的非恒定流河段，水位推算法难以用线性方式代表真实水位信息，在水位推算过程中，由于推算水位与真实水位存在较大差异，造成水位精度降低甚至低于RTK无验潮法的精度。RTK无验潮法在非恒定流河段进行水下地形采集具有较高的准确性。

3结论

本文运用点位高程较差分析、断面套绘分析、DEM分析对试验区水位推算法、RTK无验潮法的成果数据进行对比，得出如下结论：

（1） 高程较差分析中，中误差为0.19 m，但是有2％的数据存在3倍以上的中误差。虽然两种方法有较好的一致性，但是在水位推算模型无法代表真实水位的区域仍存在较大差异。

（2） 断面套绘分析中，水位推导模型良好区域两种方法的断面数据套绘吻合较好；在水位落差较大且落差呈非线性区域，两种方法的断面数据套绘河底形态呈现出整体抬高或变低现象。

（3） DEM分析中，水位推算法推导的水位与RTK无验潮法得到的水位较差主要集中在［-0.4 m，0.4 m］，存在一定差异。

总的来看，在受上游水库调节影响的非恒定流河段，水位推算法难以用线性方式建立严密的水位推导模型来模拟真实水位信息，而RTK无验潮技术无需水位观测、无需建立严密的水位推导模型，消除了测深仪换能器动态吃水误差，在水电站下游非恒定流河段水下地形测量中具有较高的精度。

参考文献：

［1］田雨，杨俊凯，颜惠庆，等.PPP-RTK技术在长江口无验潮水深测量中的应用［J］.中国港湾建设，2022，42（11）：42-45.

［2］夏晓亮，龚令平，魏荣灏，等.PPK无验潮技术在杭州湾跨海大桥河势断面观测中的应用［J］.浙江水利科技，2022（6）：24-26.

［3］牛冲.基于CORS-RTK无验潮的海岸带水下地形测量精度分析［J］.海洋测绘，2021，41（6）：36-39.

［4］单瑞，李浩军，刘慧敏，等.GNSS PPP/INS紧组合模式下的远海无验潮水深测量［J］.海洋地质前沿，2022，38（10）：87-93.

［5］楊波，杨松，张振军，等.GNSS三维水道观测中动态测高精度控制及分析［J］.水利水电快报，2020，41（12）：10-12.

（编辑：江文）

Underwater topographic survey of unsteady flow river based on RTK non-tide bathymetric survey

ZHOU Wei，XU Hongchuan，YANG Guangzhou，FENG Guozheng

（Upper Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Chongqing 400021，China）

Abstract：In order to improve the accuracy of underwater topographic survey in unsteady flow reaches，taking the downstream reach of Baihetan Hydropower Station of Jinsha River as an example，the RTK non-tide check was proposed to obtain spatial information of water level.The accuracy of the results obtained by RTK non-tide check method and water level calculation method were compared by point elevation poor analysis，section mapping analysis and Digital Elevation Model （DEM） analysis.The results showed that in the analysis of poor elevation，the median error was 0.19 m，but 2% of the data had the median error more than 3 times.In the section nesting analysis，in the area where the water level drop was large and the drop distribution was non-linear，the river bottom shape drawn according to the results of the two methods showed the overall elevation or decreased.In the DEM analysis，the difference between the water level derived by the water level calculation method and the water level obtained by the RTK non-tide checking method was mainly concentrated in ［-0.4 m，0.4 m］.In general，the measurement results of the two methods were in good agreement，and the RTK non-tide technology had higher accuracy in the underwater terrain survey of the unsteady flow downstream of the hydropower station．

Key words：underwater terrain survey； RTK； non-tide bathymetric survey； unsteady flow； Jinsha River ； Baihetan Hydropower Station