青海湖容積測量中關鍵技術的應用

金炎平　　邵永生　　羅　興　　金　勇　　龍嬌榮

(1.長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢　430012；2.浙江省大成建設集團有限責任公司，浙江 杭州　310012)

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青海湖容積測量中關鍵技術的應用

金炎平1邵永生2羅興1金勇1龍嬌榮1

(1.長江水利委員會水文局 長江中游水文水資源勘測局，湖北 武漢430012；2.浙江省大成建設集團有限責任公司，浙江 杭州310012)

摘要：青海湖是我國最大的咸水湖，由于湖泊面積大，且當?shù)貧庀笞兓瘡碗s，以前從未開展過湖泊測量工作。鑒于此，通過對青海湖容積測量工作中關鍵技術的應用，在湖泊測量與容積量算過程中，對建立控制網、水下地形測量、容積量算3個主要技術節(jié)點中的關鍵技術進行技術總結，可為以后同類型的湖泊測量借鑒。

關鍵詞：咸水湖；地形測量；容積測量；青海湖

2011年12月27日，水利部水文局(水利信息中心)在北京召開《第一次全國水利普查青海省青海湖容積測量》成果審查會，成果獲得與會專家認可和贊譽，一致認為項目執(zhí)行單位在高海拔且復雜的氣象條件下，通過精心組織，克服風大浪高的困難，首次系統(tǒng)地對青海湖進行了容積測量，其成果可作為重要的基本國情信息之一，填補了青海湖沒有湖泊容積歷史資料的空白，對青海湖的綜合開發(fā)、生態(tài)保護等具有重要意義。

青海湖容積測量工作內容包括測區(qū)勘察、測區(qū)基本控制網建立、青海湖1∶50 000水下地形測繪、青海湖水下地形圖與航測地形圖套繪、湖泊容積計算等。從工作內容中的技術節(jié)點來看，其關鍵性技術主要體現(xiàn)在湖區(qū)基本控制網的建立、水下地形測量和容積量算。本文就這3個方面進行了重點闡述。

1　建立湖區(qū)基本控制網的關鍵技術

1.1網點布設

根據(jù)設計要求，在測區(qū)范圍內布設8個GPS點(如圖1)，其中GODK、G175、IGL1 3個點為具有高等級CGCS 2000坐標，TIAN(Ⅱ天岔24)、XIAO(校2)、GODK(Ⅱ天岔46)、IGL1(Ⅰ格蘭102基1)具有高等級水準高程。新增設的Q001、Q003、HXS0點以石刻標記點名，標心為測繪釘標。

圖1　控制網點位示意

1.2GPS網觀測

2011年7月15～16日，測量隊員克服種種困難，共觀測了3個時段。7月15日測量隊利用7臺GPS接收機觀測了2個時段，同步時段長均為60 min；7月16日利用3臺GPS接收機觀測了1個時段，同步時段長為72 min，歷元間隔均為15 s。經GPS數(shù)據(jù)預處理軟件TEQC 質量檢查，觀測質量基本滿足設計要求[1]。

1.3GPS網數(shù)據(jù)處理

GPS網數(shù)據(jù)處理采取了兩種方案，具體對比見表1。

表1　GPS網數(shù)據(jù)處理方案對比

(1) 在方案1中，采用徠卡數(shù)據(jù)處理軟件(LGO),利用廣播星歷進行基線處理，輸出基線解在COSAGPS數(shù)據(jù)軟件進行網平差計算。

(2) 在方案2中，使用精密GPS基線解算軟件(GAMIT)，利用精密星歷進行基線處理，輸出基線解在精密GPS數(shù)據(jù)平差軟件(GLOBK)進行網平差計算。

以上兩種數(shù)據(jù)處理方案，采用的數(shù)據(jù)星歷、基線解算模型、基線處理軟件、平差方式、平差軟件均不同，處理結果都比較好。經過比對新增網點的成果，差值統(tǒng)計如表2所示。

表2　兩種數(shù)據(jù)處理方案成果差值統(tǒng)計

統(tǒng)計表明，兩種結果差值比較小，成果能夠相互印證。因此，GPS網數(shù)據(jù)處理結果是可靠的。

1.4控制網高程基準的建立

控制網點利用的已知水準控制點數(shù)目少，采用常值擬合的方法，得到大地高和似大地水準面之間的差距。然后，求取近似水準高和水準高之間的差距平均值(常值擬合)。最后利用計算得到的平均值(改正量)和各點的近似正常高(由青海省似大地水準面計算得到的近似水準高)，便可以得到各控制點的水準高。驗證高程擬合精度，選取4個已知大地經緯度、大地高的點，得到的水準高程與已知的水準高程差值，其結果如表3所示，擬合方法精度優(yōu)于6 cm，滿足項目設計要求。

表3　擬合水準高與已知水準高差值

2　水下地形測量中的關鍵技術

2.1測線設計

青海湖東西向長約109 km，南北向約65 km。沿東西向布置主測線167條、測線間距850 m，測點間距400 m，見圖2。

圖2　青海湖水深測量主測線布設示意

2.2水位站布設

水位是水域測量的基礎。針對高原湖泊——青海湖湖區(qū)面積大的特點，為有效控制測量期沿湖泊東西、南北向水位變化，測量隊于2011年7月10～15日在湖西端、東北部、東南部及湖心分別布設鳥島、甘子河河口、下社、海心山4處臨時水位站，見圖3。其中，下社水位站為青海水文局于1983年遷移設立，觀測至今。

圖3　青海湖臨時水位站布置示意

2.3水位站的校核水準點高程

臨時水位站設置校核水準點2點和1組直立式水尺，安裝壓阻式水位自記儀1套。

鳥島、甘子河河口水位站的校核水準點高程，布設支線水準路線，使用自動安平水準儀，以四等幾何水準精度測量[2]。

海心山水位站的校核水準點高程，以HXS0、鳥島校1為引據(jù)點，采用GPS RTK方式測量。由于鳥島與海心山之間距離較遠(約20 km)，進行GPS RTK 測量時，在數(shù)據(jù)鏈傳輸中使用了中繼站技術。該項技術即在基準站與流動站之間，設置一套中繼數(shù)據(jù)傳輸設備轉發(fā)基準站的差分信號，擴大RTK基準站差分信號的覆蓋范圍。工作原理見圖4。

圖4　中繼站工作原理

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2.4水位觀測

測量期，湖區(qū)各水位站的水位使用壓阻式水位自計儀觀測，數(shù)據(jù)采樣間隔1 h。7月15日、7月22日和8月4日，即開展水域測量前、測量中期和結束時，在每一臨時水位站測量隊使用直立式水尺觀測水位，用以率定自記儀測量水位的精度，連續(xù)觀測30 min(采樣間隔5 min)，其人工觀測水位與自記水位的誤差均小于2 cm,其觀測誤差見表4。自記儀記錄水位與臨時水尺水位比對精度統(tǒng)計如表4。

表4　自記儀水位與臨時水尺水位對比

2.5平面定位參數(shù)求取

使用星站GPS采集測區(qū)控制點WGS84坐標，求取平面轉換三參數(shù)，進行坐標轉換，統(tǒng)計其轉換殘差，結果見表5。從結果可以看出，所求的三參數(shù)在整個測區(qū)轉換精度均優(yōu)于 0.2 m，與星站差分GPS本身的標稱精度相當，說明參數(shù)精度較高，滿足技術要求。

2.6水深測量

青海湖容積測量采用了Odom ECHOTRAC MKⅢ、Odom HYDROTRAC、HY1600等3種測量儀。 測量儀采用船舷外掛安裝在船體中部，傳感器入水深 0.5 m。GPS天線位于傳感器正上方。

青海湖是中國第一大咸水湖，含鹽度約為12.5‰。水深測量中的聲速受到水溫和含鹽度的影響。2011年7月18日，測量隊使用水溫計在湖區(qū)中部分別量取水體表層(入水0.5 m)、底層(入水25 m)水溫，其溫差為 1.8℃，測深儀測深 25.6 m與測深錘測深較差 0.2 m。

每天水深測量前，使用水溫計和鹽度儀測量水體水溫和鹽度，使用GB/T 12327—1998《海道測量規(guī)范》規(guī)定的聲速公式計算應用聲速，進行測深檢驗[3]。測深檢驗方法是使用測深儀、測錘測量同點水深(水深大于5 m)。如果同點水深互差小于 0.1 m，滿足設計書要求后，即進入水深測量。測量時，施儀人員密切監(jiān)控測深儀、水深測量記錄，出現(xiàn)零線漂移、不定標等現(xiàn)象立即停測。排除故障后，重新做水深檢測后，再進入水深測量工作。

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

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

(1)

式中，C為聲速，m/s；T為水體水溫，℃；S為水體含鹽度，‰；D為測區(qū)平均水深，m。

2011年8月4日，使用Odom ECHOTRAC MKⅢ、HY1600兩種測深儀在84和85兩條測線上同步比測水深，同點水深互差均小于 0.1 m。即兩種測深儀測深精度可靠，置入的校正聲速等參數(shù)正確[4]。

2.7水涯線測量

2000年以來，青海湖湖水位整體穩(wěn)定，多年平均湖水位 3 194.42 m，年內水位變幅約 0.36 m。采用實測水涯線數(shù)據(jù)(特別是湖區(qū)碼頭、橋梁等固定建筑物)，與2011年6月青海湖區(qū)分辨率為 2.5 m衛(wèi)片(南京水利科學研究院湖泊研究所提供)的水涯線數(shù)據(jù)比對，其最大位置誤差小于 37.5 m，幾何形狀基本一致。因此，測量人員不能到達的沼澤區(qū)水涯線采用衛(wèi)片數(shù)據(jù)。但經對湖區(qū)沼澤區(qū)域實地調查，沼澤區(qū)草高約20～40 cm，草地邊沿與水涯線過渡區(qū)約有20～75 m帶寬，沼澤區(qū)水涯線為草地與湖水體的明顯分界線，與實際水涯線存在一定偏差。長江中游水文水資源勘測局所在的東部測區(qū)內，其北部存在無人沙漠區(qū)，同時還采用了國家減災委員會2011年7月24日攝制的現(xiàn)時衛(wèi)片(圖5)需以驗證(該衛(wèi)片攝制時青海湖上空無云層遮蔽，水體清晰)。

圖5　國家減災委員會2011年7月24日攝制的衛(wèi)星圖片

2.8數(shù)據(jù)處理

水域地形測量數(shù)據(jù)主要包括水位觀測數(shù)據(jù)、水深測量數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)。通常采用水文綜合測量軟件，對上述數(shù)據(jù)進行預處理，剔除粗差后，再編輯、合并。

2.8.1水位數(shù)據(jù)

青海湖地處青藏高原，水域寬廣，氣候復雜多變。測量期，常遇5～7級陣風，湖面風浪較大，各水位站自動記錄的水位過程呈波浪狀。先剔除水位數(shù)據(jù)粗差，按時間序列直線插補缺失的水位數(shù)據(jù)，再對各站的水位數(shù)據(jù)平滑處理，處理后的水位數(shù)據(jù)即為應用水位數(shù)據(jù)。

2.8.2水深數(shù)據(jù)

每日測量水深數(shù)據(jù)，次日完成合理性檢查，剔除水深數(shù)據(jù)粗差。據(jù)統(tǒng)計，剔除水深數(shù)據(jù)粗差量僅為全部水深數(shù)據(jù)量的2%。按照JTJ203-2001《水運工程測量規(guī)范》中水深內業(yè)整理要求，當水深測量受風浪影響回波信號呈波浪狀時，水深從距波峰1/3波高處量取，逐點核對、改算水深數(shù)據(jù)[5]。

水深數(shù)據(jù)改算到成圖高程基準的處理方案是：將測點定位數(shù)據(jù)與水深數(shù)據(jù)合并，使用Hypack軟件導入各水位站應用水位數(shù)據(jù)文件，以測量時間和測點距測區(qū)各水位站距離權重，計算測點應用水位并改算至成圖高程基準。

3　湖泊容積量算中的關鍵技術

3.1量算方法

以2011年7月1∶50 000的湖區(qū)地形圖為基礎資料，以實測的地形散點和等高線作為DEM建模的基礎數(shù)據(jù)，使用GeoHydrology 4.0軟件構建DEM模型量算青海湖容積，并分析量算誤差。

3.2容積量算

采用規(guī)則網格法計算湖泊容積，理論上網格越密計算精度越高，但是湖區(qū)地形圖的測點間距最小400 m(水域部分)，陸上測點更稀少，所以選擇400 m×400 m網格大小，構建整個湖區(qū)基于正方形網格的規(guī)則網立體模型(DEM模型)，對湖區(qū)三維立體表面用不同高程面進行切割，即可得到各高程面下的湖區(qū)面積和湖容積。對于某一水面高程，采用棱柱體積計算方式，計算每個網格底面至水面的體積，然后疊加得到某一水位下的總體積，即湖容積。使用GeoHydrology 4.0、Sufer 8.0軟件量算青海湖容積成果。兩種量算成果略有差異，容積較差的平均差為0.87億m3，中誤差為 0.35億m3，說明成果是可靠的。

3.3量算精度

3.3.1誤差因素

湖泊容積量算精度主要取決于DEM 精度，影響DEM 精度的主要因素為地形圖精度(地區(qū)類別、成圖比例尺)和DEM 生產中的相關因素。

3.3.2精度評價

依據(jù)青海湖2011年7月1∶50 000數(shù)字化地形圖和以此取得的規(guī)則400 m×400 m DEM地形網格，選樣數(shù)據(jù)最大高程3 195.00 m，最小高程3 167.48 m。計算數(shù)據(jù)中抽出28個高程數(shù)據(jù)，統(tǒng)計兩種軟件構建的DEM內插高程誤差，見表6。

表6　內插點高程誤差統(tǒng)計　m

表6統(tǒng)計結果表明，GeoHydrology 4.0軟件構建的DEM內插點的高程精度略優(yōu)于Sufer 8.0軟件精度。統(tǒng)計以5 m步長，使用GeoHydrology 4.0軟件計算各水位級下容積計算誤差(見表7)。

表7　青海湖容積量算誤差估算

4　結　論

青海湖容積測量取得成功，得益于以下關鍵性技術的運用。

(1) 控制網測量階段，采用精密星歷進行解算，并基于青海省似大地水準面精化模型進行高程擬合，所得結果既滿足精度要求，也解決了局部控制難于引入的問題，效率倍增。

(2) 水下地形測量階段，平面定位參數(shù)求取精度高，深度測量關鍵參數(shù)控制得當，水位站布設合理，水涯線采用最新影像匹配，精度滿足要求。

(3) 容積量算階段，采用計算的模型精度高，能夠用不同軟件對結果進行相互驗證，保證了結果的嚴密性。

總之，青海湖容積測量中運用的關鍵技術，對于西部湖泊測量的開展具有較好的借鑒意義。

參考文獻：

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[5]JTJ 203-2001 水運工程測量規(guī)范[S].

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-05-15

作者簡介：金炎平，男，長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，高級工程師.

文章編號：1006-0081(2016)07-0022-05

中圖法分類號：P331

文獻標志碼：A