多種測量方法在山洪災(zāi)害調(diào)查測量中的協(xié)同應(yīng)用

羅　興　　吳士夫　　戴永洪

(長江水利委員會(huì)水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢　430012)

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多種測量方法在山洪災(zāi)害調(diào)查測量中的協(xié)同應(yīng)用

羅興吳士夫戴永洪

(長江水利委員會(huì)水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢430012)

摘要：為更好地開展山洪災(zāi)害外業(yè)調(diào)查工作，提高溝道斷面測量和居民戶宅基地高程測量的精度，滿足分析評價(jià)要求，在介紹全站儀、GPS-RTK、HBCORS等測繪儀器及其工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)的應(yīng)用需求，總結(jié)了在湖北省恩施市開展山洪災(zāi)害調(diào)查測量的實(shí)踐，提出應(yīng)綜合不同測區(qū)范圍和環(huán)境，充分發(fā)揮各種測量手段的優(yōu)勢，協(xié)同配合應(yīng)用開展外業(yè)測量工作，從而提高工作效率，可為山洪災(zāi)害調(diào)查工作人員借鑒。

關(guān)鍵詞：山洪災(zāi)害；災(zāi)害調(diào)查測量；斷面測量；分析評價(jià)；測量方法

1　概　述

山洪災(zāi)害調(diào)查分析評價(jià)是防御山洪災(zāi)害必不可少的基礎(chǔ)性工作，是山洪災(zāi)害提前預(yù)警，實(shí)現(xiàn)人員安全轉(zhuǎn)移的重要保障和支撐。在開展分析評價(jià)工作中，需要對影響沿河村落的溝道進(jìn)行縱橫斷面測量及居民戶宅基地高程測量，以滿足小流域暴雨洪水分析計(jì)算、現(xiàn)狀防洪能力評價(jià)、危險(xiǎn)區(qū)劃分和預(yù)警指標(biāo)分析的要求。

依據(jù)《全國中小河流治理和病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固、山洪地質(zhì)災(zāi)害防御和綜合治理總體規(guī)劃》以及《全國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案(2013～2015年)》，山洪災(zāi)害調(diào)查包括防治區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查和重點(diǎn)防治區(qū)山洪災(zāi)害詳查。重點(diǎn)防治區(qū)山洪災(zāi)害詳查是對重點(diǎn)防治區(qū)內(nèi)受威脅的居民區(qū)人口、住房進(jìn)行現(xiàn)場詳查；對重要城(集)鎮(zhèn)、沿河村落進(jìn)行河道縱橫斷面及水面線測量；對沿河居民戶宅基地位置和基礎(chǔ)高程進(jìn)行測量。測量精度要求為：平面控制點(diǎn)相對于起算點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不超過 0.2 m；高程控制點(diǎn)相對于起算點(diǎn)的高程中誤差不超過 0.1 m。

山洪災(zāi)害往往發(fā)生在遠(yuǎn)離城市的山區(qū)，基本沒有測量控制點(diǎn)，且CORS網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全，信號不穩(wěn)。隨著現(xiàn)代科技水平的不斷提高，測繪技術(shù)與方法也越來越先進(jìn)且多樣化。2014年在湖北省恩施州山洪災(zāi)害調(diào)查測量中，針對特殊測區(qū)環(huán)境，主要采取了全站儀法和GPS-RTK法等一體化測量方法，并就這些測量方法的擴(kuò)展功能進(jìn)行了對比，可供測量人員參考。

2　全站儀法

全站儀法是常見的測量方法，作為集光、機(jī)、電為一體的高技術(shù)測量儀器，可以測量水平角、垂直角、距離(斜距)和高差。由于工作時(shí)，只需要一次安置，就可以完成該測站上所有的測量工作，故被稱為“全站儀”。

2.1分類

從外業(yè)使用時(shí)是否需要棱鏡來劃分，全站儀可以分為經(jīng)典型和無合作目標(biāo)型全站儀兩種。經(jīng)典型全站儀也叫常規(guī)全站儀，具備全站儀電子測角、電子測距和數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄等基本功能，工作時(shí)需要安置反射棱鏡。無合作目標(biāo)型全站儀也稱為免棱鏡型全站儀，可以在無反射棱鏡的條件下，對一般目標(biāo)直接測距，因此，對不便于安置反射棱鏡的目標(biāo)進(jìn)行測量，具有明顯優(yōu)勢。在山區(qū)測量時(shí)，對測量人員無法達(dá)到的懸崖峭壁的地形，為測得其完整斷面形態(tài)，不能漏掉特征點(diǎn)，在這種情況下，免棱鏡型全站儀就可以解決此類問題。

2.2外業(yè)工作流程

全站儀外業(yè)操作程序簡單，流程主要包括：設(shè)定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)、設(shè)置儀器改正參數(shù)、丈量儀器高和棱鏡高并輸入全站儀、設(shè)定后視點(diǎn)的坐標(biāo)或設(shè)定后視方位角，照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡、開始測量并計(jì)算顯示測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2.3優(yōu)缺點(diǎn)

全站儀的優(yōu)點(diǎn)較多，具體如下： ①測量精度較高。全站儀標(biāo)示精度一般用(A+Bppm×D)mm來表示，當(dāng)被測量距離為1 km時(shí)，儀器的測距精度為1 mm+2 ppm×1(km)=3 mm,也就是說，全站儀測距1 km，最大測距誤差不大于3 mm，完全滿足山洪災(zāi)害高程測量精度要求(不大于 0.1 m)。②不受高樓、樹林和高山覆蓋遮擋等因素影響。

全站儀也有以下缺點(diǎn)：①測站和目標(biāo)必須通視；②測程較短，需要不停換站。

3　GPS-RTK法

GPS-RTK(Real Time Kinematic)也叫全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分系統(tǒng)，是一種應(yīng)用較為廣泛的GPS測量方法，能夠在野外實(shí)時(shí)得到cm級定位精度的測量方法。采用載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，較大地提高了外業(yè)作業(yè)效率[1]。該法可以分為傳統(tǒng)RTK和網(wǎng)絡(luò)RTK。

3.1傳統(tǒng)RTK

傳統(tǒng)RTK系統(tǒng)是由一個(gè)基準(zhǔn)站和多個(gè)流動(dòng)站組成的(見圖1)。工作時(shí)，基準(zhǔn)站固定不動(dòng)，負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，流動(dòng)站到待測點(diǎn)上測量，接受基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，差分到要求的精度后，就可采集測量。技術(shù)操作較為簡便，測量人員只需將天線對中、整平，然后開啟電源就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量，大大降低了測量人員的工作量，實(shí)現(xiàn)了智能化[2]。缺點(diǎn)是隨著基準(zhǔn)站和流動(dòng)站距離(一般控制在5 km范圍內(nèi))的增加，測量誤差越來越大，精度降低，但可滿足調(diào)查分析的精度要求。

圖1　傳統(tǒng)RTK工作模式

3.2網(wǎng)絡(luò)RTK

為克服傳統(tǒng)RTK作業(yè)距離有限的缺陷，提出了網(wǎng)絡(luò)RTK的概念[3]。網(wǎng)絡(luò)RTK的原理是在一個(gè)廣闊的區(qū)域內(nèi)(可以是一個(gè)省或市)，均勻布設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站，構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)，借鑒廣域差分GPS和具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局域差分原理和方法，消除各種系統(tǒng)誤差的影響，獲得高精度的定位結(jié)果[4]。連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)(CORS系統(tǒng))則是利用網(wǎng)絡(luò)RTK的原理和方法發(fā)展起來的一種新型測繪方式。利用CORS開展野外測量時(shí)，不用攜帶基準(zhǔn)站設(shè)備，只需在測量前設(shè)置好連接CORS網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，便可開展測量。相比傳統(tǒng)RTK，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)操作，提高了工作效率。

3.3優(yōu)缺點(diǎn)

GPS-RTK法的優(yōu)點(diǎn)如下：①采集速度快，每秒就可記錄一組觀測數(shù)據(jù)；②作業(yè)范圍廣，減少圖根點(diǎn)測量和架站的工作量；③多點(diǎn)協(xié)同工作，相互之間不受影響，無積累誤差；④實(shí)現(xiàn)單人操作，節(jié)省人力物力；⑤流動(dòng)臺和基準(zhǔn)臺不用通視。

缺點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：①接收機(jī)需要接受衛(wèi)星信號，在高樓密集區(qū)域、高山峽谷或有樹林遮擋的情況下，衛(wèi)星信號較差，難以達(dá)到差分固定解狀態(tài)，工作效率會(huì)大幅降低；②當(dāng)在深山里時(shí)移動(dòng)信號較差或者無信號時(shí)，無法連接CORS服務(wù)器，需在附近尋找地勢較高的位置接收CORS信號采集坐標(biāo)，并通過架設(shè)RTK基準(zhǔn)站的方式施測。表1示出了HBCORS高程測量技術(shù)要求及誤差[5]。

表1　HBCORS高程測量技術(shù)要求及誤差

為檢校HBCORS(湖北CORS)測量精度，分別在恩施市、巴東縣、咸豐縣收集了部分高等級控制點(diǎn)校核，比測平面、高程精度均小于 0.1 m。表2匯總了長江委水文三峽局巴東蒸發(fā)站的比測成果(點(diǎn)名：GPS-D SX028)，精度符合要求。

表2　HBCORS高程比測

4　水下測點(diǎn)測量方法

通常，溝道河底高程測量和水面線測量同時(shí)進(jìn)行，兩者測量誤差均要求不超過0.1 m。主要工作模式是利用全站儀或GPS測量水面高程，利用測深儀器測量水深，水面高程減水深即為河底高程。當(dāng)河流水深較淺時(shí)(不大于1 m)，水深測量可采用測深桿和測深錘施測；當(dāng)水深較深，不適合采用淺水水深測量模式時(shí)，可以利用便攜式回聲儀施測。該回聲儀體積輕便、攜帶方便，水深讀數(shù)可直接顯示在屏幕上，應(yīng)用方便。

5　應(yīng)用實(shí)例

5.1測區(qū)概況

龍洞河流域地處湖北省恩施市舞陽壩街道辦事處，地理坐標(biāo)為東經(jīng)109.5113°和北緯30.3076°，流域集水面積 25.08 km2，發(fā)源于恩施城郊龍洞，在趙家壩有支流芋河溝匯入，匯合后流經(jīng)龍洞灣、桂花園、五峰山、官坡街，于州城風(fēng)凌渡橋注入清江。龍洞河常水位下水面寬約8 m，最大水深達(dá)5 m。河兩岸有稀疏高大楊樹遮擋，且有大量居民居住。為保障居民生命財(cái)產(chǎn)安全，需對龍洞河開展河底高程測量、水面線測量和橫斷面測量。

5.2測量方案對比

(1) HBCORS測量。由于龍洞河兩岸沒有控制點(diǎn)，因此可采用HBCORS布置測量控制點(diǎn)。測量時(shí)，受環(huán)境因素影響較大，在樹林、高大建筑物附近，HBCORS均難以達(dá)到固定解狀態(tài)，特別是測縱斷面河底高程和水面線時(shí)，需要在樹底下穿行測量，信號更難搜索，故該法只能用來做控制點(diǎn)。

(2) 全站儀法。該法可克服樹林和高大建筑物遮擋，但由于龍洞河河勢曲折、彎道較多，通視條件較差，架設(shè)一站只能測量100 m的范圍，需要不停換站，效率太低，因此該法只能用來在樹林特別茂密的地方補(bǔ)測點(diǎn)。

(3) 傳統(tǒng)RTK法。該法需架設(shè)基準(zhǔn)站，而基準(zhǔn)站的位置要相對較高，開闊且無遮擋。龍洞河需測量縱斷面長度約為8 km，基準(zhǔn)站只能架設(shè)在河段中間位置。

5.3測量方法確定

綜合龍洞河附近地形，最終確定將基準(zhǔn)站架設(shè)在金鳳大道路邊，距離水面高差將近80 m，地勢開闊。首先采用HBCORS在金鳳大道路邊做一對控制點(diǎn)，然后架設(shè)基準(zhǔn)臺，采用傳統(tǒng)RTK測量模式，校正參數(shù)、比測。工作模式采取“一拖二”模式，即一部流動(dòng)臺測量橫斷面，另一部流動(dòng)臺測量縱斷面和水面線。在樹林特別茂密的地方，采用RTK做控制，全站儀測量。在其他測區(qū)，直接采用流動(dòng)臺測量。水深測量采用便攜式回聲儀配合RTK測量模式，水深數(shù)值記錄在RTK手薄編碼中。最終在2 d時(shí)間內(nèi)，完成龍洞河流域縱橫斷面測量任務(wù)?？傊?，通過多種儀器的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)和協(xié)同配合，完成了預(yù)期測量任務(wù)。

6　結(jié)　論

根據(jù)不同測區(qū)條件，采用不同測量方式。當(dāng)一種測量方式不能滿足需要時(shí)，需綜合測區(qū)條件，及時(shí)增加第2種測量方式。

(1) CORS系統(tǒng)在山區(qū)信號較弱，可用來放點(diǎn)做控制[6]。當(dāng)某測區(qū)確實(shí)接收不到信號時(shí)，可在附近測區(qū)做控制，利用傳統(tǒng)RTK測量模式引測控制點(diǎn)。引測過程中，注意距離不要超過5 km。

(2) 傳統(tǒng)RTK測量模式在小面積測區(qū)(5 km范圍內(nèi))，信號比較強(qiáng)，只是基準(zhǔn)站的架設(shè)位置需要綜合考慮后確定。

(3) 遇到陡峭懸崖或者人員測量不便到達(dá)的測區(qū)，可采用免棱鏡測量方法施測。遇到樹林較高較密但不影響通視時(shí)，該法也可解決GPS不能使用的困難。

(4) 當(dāng)一種方法不能滿足要求時(shí)，可采取多種測量方法協(xié)同配合。

參考文獻(xiàn)：

[1]金繼讀，詹家民，吳慶忠. GPS-RTK配合全站儀聯(lián)合進(jìn)行數(shù)字化測圖[J].礦山測量，2003，12(4):3-6.

[2]GB/T18314-2001全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范[S].

[3]柯福陽，王慶等. GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK算法模型及測試分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39(4)：296-301.

[4]衛(wèi)柳艷. GPS網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的算法及定位精度研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.

[5]GB50026-2007工程測量規(guī)范[S].

[6]謝興平，葉成濤，葉婧. CORS在湖北省山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目中的應(yīng)用[J]. 人民長江，2015，46(增)：75-76.

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-05-15

作者簡介：羅興，男，長江水利委員會(huì)水文局長江中游水文水資源勘測局，工程師.

文章編號：1006-0081(2016)07-0049-03

中圖法分類號：S429

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A