1北京城建勘测设计研究院有限责任公司 北京市 100101
2沈阳建筑大学 辽宁沈阳 110168
摘要：供水水文地质勘察（以下简称水文勘察）测量（包括高程和坐标）是水文勘察必不可少的一项基础性工作，《供水水文地质勘察规范》规定，水文孔、地质孔、泉和居民井等观测点均需施测高程与坐标，用以绘制勘察范围内的等水位线图，借以了解地下水的流向、补给范围、径流区域及地表水与地下水的关系等；还用以计算径流—排泄区域的地下水天然水力坡度等参数。水文勘察测量中的高程测量精度要求较高，长期以来，一直采用传统的高程施测手段—几何水准测量方法，该方法实施起来费时、费力，作业效率低，且野外工作非常辛苦，经费开支大。本文分析了RTK在供水水文地质勘察测量中的应用。
关键词：RTK；供水水文地质勘察；测量应用；
近年来，随着GPS（G lobal Position Sy stem）技术的飞速发展，特别是RTK（Rea l Time K inematic）技术的日臻成熟，其测高精度的不断提高，使得用RTK方式进行水文地质一体化（高程与坐标）测量成为可能。这大大减少了测量人员的劳动强度，省工省时，且因RTK 精度高，全天候，提高了工作效率，使工程周期变短，工程费用大大降低。
一、RTK 进行水文地质勘察测量的可行性分析
水文地质勘察对高程精度要求较高，而对平面坐标精度要求较低。《地质矿产勘查测量规范》规定，精度要求最高的钻孔允许平面中误差为图上0 .15mm，按水文地质勘察图比例尺为1：10000 计算，实地平面中误差为1 .5m，RTK 可以轻松满足水文地质勘察平面坐标要求；而高程要求为排泄区域的高程中误差应≤4cm，迳流区域应≤8cm，补给区域应≤20cm，精度要求较高，因此主要探讨如何使RTK 高程满足水文地质勘察测量的要求。用四等水准测量对RT K 高程做了检核，以四等水准高程为真值，计算出RTK 高程中误差为1 .56 cm。研究了RTK 高程拟合精度与起算点的空间分布、数量及拟合方法的关系，认为只要起算点的数量及精度满足要求，位置合理，分布均匀，拟合方法恰当，即可满足普通水准的限差要求。《工程测量规范》条文说明中提出RTK 的高程中误差通常是平面中误差的2倍，且与到参考站之间的距离成正比，此前多个工程证实在RTK作业半径适当的情况下，平面中误差一般小于2cm，很多文献也得出了同样的结论。据此推理，RTK高程中误差应小于4cm，与前文吻合。由此可见，只要满足RTK测量要求，方法得当，并采取一定质量控制措施，RTK 高程可以满足水文地质勘察测量的要求。一般来说，要遵从系统性和整体性对水文地质类型区进行划分，地下水的流动性、整体性和系统性是由地质地貌结构的复杂程度决定的。因此，必须要选用合理的方案对地下水资源进行开发和利用，在管理上要遵循整体性和系统性的原则。在水文地质科学中，将具有相似特征的地下水地貌与地质进行分类就是水文地质类型区划分。按照流域内地下水的分布与云移为特性，对有类似边界类型的构造和有类似容积与内部结构的水文类型进行组合，并区分那些具有相对的径流、补给和排泄系统的地下水类型就是水文地质类型区划分。地下水的类型与内部之间存在着一种必然的关系，是在地质的不断演变中发展而来的。遵从一定的原则对水文地质类型区进行划分，将水文地质类型区与地下水资源评价结合运用，尽量以简便明了的方式为水文地质类型区进行命名。遵从舍小求大的原则对介质类型，岩土体的类型进行勘察后再进行划分是必要的。而且在划分水文地质特征时，要综合考虑各种自然条件、地质条件和地貌类型等因素，从系统性和整体性对水文地质特征进行综合勘察与评价，以地貌类型与含水介质的相互关系进行水文地质类型区划分。
二、RTK 进行供水水文地质勘察测量的方法及步骤
1.收集资料。测量前，我们搜集整理了相关资料，收集的资料主要为控制点资料。由于此前在该区域进行过多次测量工作，如地面沉降测量存有较多的控制测量资料，通过实地查看测区周围及测区内的控制点，对其可利用情况进行了统计分析。
2.网型设计。由于工作区面积大，而RTK的作业半径有限，且测量精度随着作业半径的增大而降低，因此，为保证RTK 测量精度及稳定性，提高工作效率，必须进行分区测量。RTK 的数据链是一个球面波，在水平面上的投影是圆，半径为数据链作用的有效长度。但是圆不能无重叠无缝隙覆盖一不规则区域，在实际布设工程中可以考虑用圆内接正多边形代替圆，常用的图形有正三角形、正方形和正六边形。同时整个控制网的精度比较均匀，适合面状测量区域。因此，本项目采用正六边形法分区。以RTK 作业半径为6km 计算，本着尽可能少分区及各小区中控制点尽可能均匀分布的原则，将工作区分为十个正六边形小区，利用RTK 分区测量。由于收集到的控制点资料分布不均匀，有些正六边形小区只有一个甚至没有控制点，因此需加密控制点。根据已有控制点分布情况采用静态GPS测量法进行控制点加密，并联测水准高程。加密控制点应考虑RTK 测量时参考站点的分布及位置。
3.转换参数。由于RTK 获得的是WGS-84 坐标，而工程要求是1954 年北京坐标系，需要坐标转换。由于已经进行了控制点收集及加密工作，我们采用七参数转换法求解转换参数，将控制点资料及椭球参数等输入到RTK 流动站接收机中求出转换参数。因为控制点较多，可能有个别控制点残差较大，说明该点精度较低或与其他控制点不匹配，此时可以进行其他点的选择，用以剔除存在粗差的控制点，通常转换参数的残差在±2cm 以内，可以认为参数是正确的。
4.水文地质观测点测量。1）测前比测已知控制点。到已知控制点上比测，检测作业区的坐标基准转换及参考站预置信息的正确性。检测结果，平面较差不应大于5cm，高程较差不应大于30 D mm（D 为参考站到检查点的距离，单位为km），较差在允许范围内再进行下一步。2）水文地质观测点测量。流动站作业时有效卫星数不少于5 个，PDOP 值应小于6，并采用固定解成果。每个水文地质观测点都独立测定两次，即观测完毕后，将流动站天线倒置或关机后再重新初始化，重新观测。两次观测的高程较差应小于5cm，否则应重测。取两次测量成果平均值使用。RTK 测定时的数据记录，不但要记三维坐标成果，还应记录原始的观测数据。不同参考站作业时，流动站应检核一定数量的重合点。3）测后比测已知控制点。每参考站施测完毕后，应到已知控制点上进行比测，校验作业过程中有无异常。
5.RTK 高程精度评定及检核。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆一是RTK高程精度评定视控制点数据为真值，RTK 高程误差主要有以下几个方面：1）RTK 测量在获得WGS-84 坐标的过程中，由于受到电离层和对流层传播延迟误差、接收机钟差、接收机内部噪声、通道延迟、多路径效应、数据链内部噪声、外部无线电干扰等因素的影响，导致RTK 观测误差的产生，此类误差在RTK 系统的控制终端中是可以实时显示的，称之为ΔG PS。2）RTK 测量获得的是WGS-84 坐标，必须进行转换。获得转换参数时，受转换模型的影响，必然产生误差，称之为Δ转换模型。在RTK 测量操作过程中，设置参考站完毕，为了检验基准站已知控制点坐标输入正确与否，参考站的天线高是否正确以及转换参数是否无误，需要检测已知控制点。为保证精度对高程较差大于50mm 的水文地质观测点全部重测。RTK 高程的质量控制RTK 高程在水文地质勘察测量中具有很大的优越性，但其缺乏必要的检核条件，为了保证RTK作业的精度和稳定性，充分发挥RTK 技术的优势，必须进行质量控制。RTK 质量控制的方法主要有以下几个方面：1）已知点检核比较法。即布设控制网时用静态GPS 多测出一些控制点，并联测水准高程，批量作业前用RTK 测出这些控制点的坐标及高程进行检核，检核较差在精度允许范围内再进行后续RTK 测量。每参考站施测完毕后，到已知控制点上进行比测，校验作业过程中有无异常。2）重测比较法。每次初始化成功后，先重测1-2 个在其它基准站上测过的RTK 点，确定无误后再进行RTK 测量。每个水文地质观测点都独立的测定两次，即观测完毕后，将流动站天线倒置或关机后再初始化，重新观测，两次观测的高程较差应小于5cm。3）电台变频实时检测法。设置两个参考站，每个参考站采用不同的频率发送改正数据，流动站用变频开关选择性地分别接收每个参考站的改正数据，从而得到两个计算结果，比较这些结果就可判断RTK 的稳定性及测量精度。4）常规测量方式抽测法。RTK 测量精度随着到参考站距离的增大而降低，利用常规水准测量方法对离参考站最远位置的RTK 高程进行抽测，可以反应整个区域的精度。以上方法中，最可靠的是已知点检核比较法，但控制点的数量总是有限的，在缺少控制点的地方需要用重测比较法来检验测量成果，电台变频实时检测法的实时性好，但它需具备一定的仪器条件，实际应用价值不大，使用常规水准测量方式抽测，可以较好的评定整个区域的测量精度，但费时费力，一般只在检核时使用。
三、实例分析
1.工作区概况。工作区面积704.22 km2，共布设居民井、河流等观测点101个，水文孔、地质孔32个。该区属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，温差较大。
2.RTK 测量的必要性与可行性。一是RTK测量的必要性。该水源地供水水文地质详查任务要求工期紧、质量高。若采用传统的四等水准观测方法，水准路线长度预计为500km，工期至少在3个月以上，抽水试验之前将不能提交高程测量成果，拖延整个工期，因此，必须采用新的工作方案。在一定区域内地下水位的频繁升降会将岩土中的矿物质和胶结物冲刷掉，土质会因失去胶结物而变得疏松，地下水的运动更加自由，形成恶性循环，严重影响岩土的承载能力和抗压能力，危害岩土工程的进行。二是RTK测量的可行性。S80一体化RTK 测量系统，平面精度为2cm +1 ppm，高程精度为5cm +1 ppm。为了查清其高程是否能达到标称精度，选用不同位置的多个水准点进行检验、比较，结果表明，当接收卫星（高度角≥10°）5颗以上，其高程拟合精度即可达到仪器的标称精度，多个工程的结果也证实了这一点。这就使得用RTK进行水文勘察高程测量成为可能。三是工程质量要求。按设计要求，供水水源地的排泄区域，其高程中误差应≤4cm，径流区域应≤ 8cm，补给区域应≤20cm。上述要求是从等水位线高程精度和水文地质计算两方面分析、按精度不影响原则得出的结论，理论上是严密的，精度要求是比较合理的。从实际应用来看，抽水实验时，水源地外围的水位降深比较小，高程精度可以降低一些，但水源地附近的观测点必须满足上述高程精度要求，才能准确地反映水位降深。另外，为了准确勾绘等水位线，还必须测量水文孔、地质孔、泉和居民井等观测点的坐标，按照《地质矿产勘查测量规范》的规定，按要求精度最高的钻孔来说，其图上平面位置中误差为0. 15 mm，按水文勘察最大比例尺1∶1万，实地为1. 5m，RTK任意测量方式都是容易满足的，故测量工作应着重解决的是如何令RTK 测量满足水文勘察高程精度的要求。
3.RTK测量与精度保证措施。一是测前准备。根据RTK 高程测量的特点是在基准点以内（内含）测得的RTK 点比在基准点之外（外延）测得的RTK 点精度高，外围必须有足够的等级较高的高程点才能保证其内部点的高程精度。由于此前曾做过地面沉降测量、地籍测绘、地形测量等项目，故存有数量较多的平面控制及高程控制资料，这些是保证RTK 测量成功的基础资料。测量前，搜集整理了相关资料，查看了测区周围和测区内的所有已知点，并选择了位于测区边沿的5个坐标点和4个二等水准点分别作为求解参数点和高程拟合点。为了保证RTK 测量的顺利实施，根据GPS的测量特点，将比较隐蔽的钻孔和水井进行了高程引测，同时还检查了所有已知点，确保所有需架设RTK 的点四周开阔，无树木等物体的遮挡，远离高压线、大功率无线电发射塔，避开大片水域等容易引起RTK 精度不稳定或精度降低的因素，确保RTK 精度的稳定性，减弱测量误差。另外，还在测区周围和测区内选择了一些精度较高的高程点作为RTK的高程精度检测点，以便随时检测RTK 的成果质量。二是求解基准转换参数。为了获得所需要的地方坐标，作业前必须用已知点求得两种坐标系间的转换参数，为此，选用了测区周围的5个坐标点（具有水准高程）、4 个二等水准点作为参数转换的基准点。实际操作时，首先用5个坐标点输入“工程之星”，将GPS 基准站架设在某一已知点上，设置好参考椭球系、投影参数、发射间隔、差分数据格式、卫星截止角等基本信息，然后依次将流动站架设在其他4 个已知点上，淘汰残差比较大的已知点，按残差最小的原则求得七参数，启用七参数，测得4个二等水准点的地方坐标，然后用这4个二等水准点求得高程拟合参数，启用高程拟合参数测定钻孔等点的高程与坐标。三是钻孔居民井等点的RTK测量。为了精确测得钻孔、居民井等点的高程，将基准站架设在地势较高的已知点或建筑物上，进行RTK测量时，首先在“工程之星”手簿中设置好基准转换七参数、高程拟合参数、基准站坐标和高程以及钻孔、居民井等点的高程中误差的限差，每次作业开始时，将流动站放在已知点上，以检验RTK 的设置及其功能的正确性。测量过程中，“工程之星”将自动检查记录符合预设精度要求的钻孔等点的坐标和高程。由于水文勘察对测区中心的水源地附近的观测点要求较高，作业中，采取了3 项措施提高RTK 的测高精度：①选择最有利的观测时间。RTK 的测量实践表明，上午11点之前和下午3 点之后，RTK的测量成果最稳定，测量速度也快，选择最有利观测时段观测精度要求最高的点。②缩小作业半径。移动站离开基准站的最大距离称作RTK的作业半径，将基准站架设在测区中心较高的已知点上，作业半径控制在4km内。③测区中心的钻孔，每点皆重测一次，两次高程较差控制在3cm之内。
4.RTK测量的精度检核。为了确保RTK 高程测量的准确性，在测量过程中，注意测量精度的检核，每天测量前，先将流动站架设在已知高程点上进行检核，作业过程中，每经过已测点或离已知点较近时，皆进行检测，发现PDOP值较大（≥3）或成果不稳定时，应进行重测；对于一些重要的钻孔，应设置静态模式，用支撑杆竖直后测量5～10min，待数据稳定后再记录。若钻孔间距离较近，则应用水准仪检测，发现问题及时纠正，有效地保证了RTK 测量的准确性和可靠性根据重合点测量的较差，按照同精度两次观测中误差的出钻孔等测量点相对于已知点的高程中误差，这说明，RTK 高程测量可以满足该水源地1∶5万比例尺的水文勘察高程精度要求。为了检验RTK 高程测量成果的可靠性，地质技术人员用RTK 测得的高程与坐标绘制了等水位线图，等水位线圆滑、合理，未发现任何异常现象，这也充分证明RTK成果的可靠性。
RTK测量虽然实时、准确、快速，但如果作业中缺乏检核条件，有时个别点会出现粗差，所以作业中应用不同的已知点观测（重合点法），或在同一点上观测2次，以保证结果的可靠性。随着RTK 测量技术的发展，其精确度和稳定性也将不断提高，抗干扰性将会更强，对环境的要求将会降低。相信在不远的将来用RTK 测量代替传统的水准测量将成为可能。
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论文作者:杨灯建1,谷文川2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第6期
论文发表时间:2018/8/22
标签：高程论文; 测量论文; 水文地质论文; 精度论文; 作业论文; 误差论文; 检核论文; 《建筑学研究前沿》2018年第6期论文;