﻿ 水位改正方法对水道测量精度的影响分析

# 水位改正方法对水道测量精度的影响分析Impact of Water Level Correction Method on Waterway Survey Accuracy

Abstract: The factors affecting the accuracy of waterway topographic survey include positioning and sounding accuracies, water level acquisition and estimation methods, etc. At present, water level acquisition and estimation methods are also diversified, especially in the river reach affected by the regulation of water conservancy projects, where the water level is changed frequently and non-linearly. Therefore, how to obtain the water level and water level correction is the key to precisely obtain the topographic survey in the regulated river section. This paper chooses the Yichang river reach influenced greatly by the upper reservoir as out experiments and carries out underwater topographic survey under reservoir frequent dispatching mode. The different software, hardware and estimation methods are analyzed and compared. The useful conclusion provides a theoretical and practical basis for underwater topographic survey and has strong pertinence and practicability.

1. 引言

2. 水位推算模型与原理

2.1. 线性内插推算模型

${Z}_{2}={Z}_{1}+{h}_{f}+{h}_{j}+\frac{{a}_{1}{u}_{1}^{2}}{2g}-\frac{{a}_{2}{u}_{2}^{2}}{2g}$ (1)

2.2. 时差法水位推算

2.3. GNSS潮位法推算

$h=S+D-T$ (2)

$T=H-\zeta -L$ (3)

$h=S+d+L-\left(H-\zeta \right)$ (4)

$h=S+d+L-{H}_{85}$ (5)

3. 试验布置及数据处理

3.1. 试验实施

Figure 1. Schematic diagram of river reach, control distribution and section layout for project implementation

1) 控制网布设及转换参数求取

2) 水位控制基点测量

3) 区域水道地形测量

① GNSS基准站及流动站设置：在水下测量区域中间，架设GNSS基准站，设备系统配置中输入当地坐标系统及求取的七参数，以准确得到当地实时平面坐标与当地基准高程值，流动站接收到基站信息，进行实时改正，并选择已知点进行精度检校。

② 水位控制测量：在水下测量区域的首尾进行水位控制测量，精度达到五等水准精度，同时设立人工水尺和潮位自计仪；在水下测量期间，采用人工和自计两种方式记录水位变化值。

③ 水道地形测量：水下作业前先将测深仪各部件连接、设置、改正及检校。将GNSS天线与换能器采用一体杆连接，确保其在同一垂直平面上，并量取GNSS天线相位中心(或天线底部)到换能器底部之间的距离，同时精确量取回声仪探头吃水深度。

④ 为了验证单波束GNSS验潮与船的姿态关系，在试验过程中，将一体化罗经与运动传感器Octans的改正参数输入了亿点通海洋测量软件。

3.2. 数据处理

1) 采用在水道地形测量开始及结束的位置观测的水位值，按照断面个数及水位落差进行逐个断面水位推算，即线性内插法。

2) 采用Hypack软件按照时间和距离的中心线法(时差法)内插推算模式推算每个断面的水位。

3) 分别采用中海达测深系统自带软件和亿点通海洋测量软件进行处理，得出验潮模式下(时差法)每个断面和每个定标点的水位，以及GNSS验潮模式下的每个断面和每个定标点水位。

4. 水位获取与改正分析

4.1. 试验辅助观测分析

1) 人工水位观测

2) 声速剖面观测

Figure 2. Schematic diagram of water level changes in upstream and downstream during surveying

Figure 3. Schematic diagram of sound velocity profile measurement

4.2. 试验数据对比分析

1) 不同测深系统测深对比

Figure 4. Schematic diagram of synchronized depth observation with different equipment

2) 不同水位获取与改正方式对比分析

Figure 5. Different water level acquisition methods and comparative analysis sketches

Table 1. Table for distribution of mutual differences between different water level values and baseline values

Figure 6. Comparisons between attitude correction and non-correction in a domestic oceanographic survey software

1) 工程调节河段，其水位呈现非线性变化的情况下，不宜采用在水道地形测量开始及结束的位置观测的水位，按照断面个数及水位开始和结束时的落差进行逐个断面水位推算的这种线性内插方法。

2) 不同软件处理系统对数据进行处理，在时差法上对比可知，其互差均小于5 cm，故采用人工(自计)验潮值通过时差法进行水位改正，精度最高且符合实际情况。

3) 中海达测深系统(未接入姿态改正)GNSS验潮值经过粗差剔除及多次滤波处理后，按断面取平均与基准值对比，互差最大值为0.13 m；亿点通海洋测量软件(接入姿态仪)GNSS验潮值进行了姿态改正、粗差剔除及多次滤波处理后，按断面取平均值与基准值对比，互差最大值为0.068 m，且小于5 cm的达80.7%；说明采用GNSS潮位接入姿态改正是很有必要的。

4) 根据《水运工程测量规范》，在水深 ≤ 20 m时，要求水深测量精度σh ≤ 0.2 m，按照水位改正精度为σh的1/3，即≤0.07 m的要求，表明接入姿态仪后，采用合理的处理方法，GNSS三维水深测量可以达到此精度要求。

5. 结论与建议

1) 结合水道地形测量的项目用途、成图比例尺、测区情况等因素合理选取水位的获取与推算方式，特别是基于非线性变化的河段，其人工(自计)验潮模式下的水位推算方式(时差法，中心线法或区域法)最为可靠，但要注意水位零点的误差传播。

2) 通过对比分析，采用断面平均的GNSS验潮方式(有姿态改正)，满足《水运工程测量规范》相关要求，可以根据项目用途及要求合理选取GNSS验潮方式。

3) 试验表明，姿态改正能有效提高GNSS验潮精度。但是在数据处理过程中，要应用软件剔除粗差，选择适宜的GNSS滤波方式及次数。如果是长江这种带状河段，可以优先选取断面平均法作为最终的断面水位。

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