基于Hypack软件水位推算的应用

基于Hypack软件水位推算的应用李贵生车兵（长江三峡水文水资源勘测局，湖北宜昌443000）摘要水下地形测量中，水位推算是其中一重要环节，水位推算的精度和效率直接影响到测量工程最终成果的精度和进程。本文结合工作实际情况介绍了基于Hypackr软件水位推算的应用，分析了其与常规推算方法相比较的精度，探讨了此方法存在的优点和不足。关键词工程测量；水下地形；水位推算；Hypack；中心线法WaterLevelAdjustmentBaseOnHypackLiGuisheng，CheBing（TheThreeGorgesoftheYangtzeRiverHydrologyandWaterResourcesSurveyBureau,HubeiYichang443000）Abstract：Underwatertopographicsurvey,waterlevelpredictionisoneofimportantlink,waterlevelcalculationprecisionandefficiencydirectlyaffectsthemeasurementprecisionandprocessengineeringfinalresults.theessayintroducestheapplicationofHypacksoftwarebasedonthewaterleveladjustment,analysisofitsandthenormaladjustmentmethodiscomparedwiththeaccuracyofthismethod,theadvantagesanddisadvantages.Keywords：EngineeringSurey,UnderwaterTopographicSurvey,WaterLevelAdjustment,Hypack,CenterLineMethod.1引言水下地形资料是河工模型实验中评价河床动态变化的重要内容，随着我国政府对海岸带的防护及河流治理工作的重视和各项水利、水运工程建设的兴起，对水下地形的要求也越来越高。水下地形测量中，水下地形点的高程是由水面高程（水位）减去相应水深间接求取的[1]。影响水下地形点高程精度的两大因素分别是水深和水位。在在水深测量误差一定时，水下地形测点高程精度主要取决于水位。影响水位的因素主要可分为两类，一类是水位观测误差；另一类是测点水位推算误差。在不考虑水位观测误差的情况下，推算水位的准确与否是影响水下地形测量资料精度的关键[2]。2常用水位推算方法《水道观测规范》SL257-2000中规定，水位推算根据相邻水位差按断面或分段配赋[3]。在长江等内河水域解决水位推算的方法是基于以断面为推算单位的人工水位推算方法，需要每个断面逐一人工推算，而且在存在横比降影响情况下，分区推算水位，计算过程较为复杂。在宽度不大，横比降较小的河段，水位推算是采用线性插补方式，如图1。图1线性插补示意图Ｐ点某时刻的水位由A1、A3同时刻的水位按距离内插求得。3121131/)(AAAAAAApSSZZZZ（1）式中ZP、ZA1、ZA3：为某时刻Ｐ、A1、A3处的水位（m）；SA1A2：A1、A2间距离（m）；SA1A3：A1、A3间距离（m）。当横比降较大或水域面积较大时，水位推算则采用三角形单元面积加权法或两步内插法，如图２中Ｐ点某时刻的水位按三角形面积加权法计算。aZaZaZaZAAAp/)321(321（2）式中ZP、ZA1、ZA2、ZA3：为某时刻Ｐ、A1、A2、A3处的水位（m）；a、1a、2a、3a：分别为321AAA、32APA、21APA、31APA的面积（m2）。由此可见，在考虑横比降的情况下，水位的计算是比较繁琐的。3Hypack软件水位推算模型在长江等内河水域，水下测点水位改正数学模型下式表示。hZH（3）式中，H—水下测点高程（m）；Z—水下测点应用水位（m）；h—水下测点实测水深值（m）。图２为某测量河段示意图。在上下游同岸布置了3个临时水位站P1、P2、P3，以中心线法，使用临时水位站P1、P2的观测水位，某时刻t测点线性插补的应用水位tZ按4式推求。图2水位站布设及水位推算示意图DdZZZZtttt212（4）式中，tZ—断面t时刻测点推算水位（m）；tZ1、tZ2—断面上、下游水位站t时刻水位（m）；d—断面至下游水位站间沿深泓线方向距离（m）；D—断面上、下游水位站间沿深泓线方向距离（m）。Hypack水文测量软件是一种功能齐全的水下地形数据采集与处理软件。该软件（2010版）单波束编辑器提供了中心线法和三点法水位改正工具。中心线法是根据水下测点投影到中心线与水位站投影到中心线距离插补水位改正进而求得该水下地形测点高程。Hypack软件在进行水位改正时，根据已布设的河道中心线，各水位站沿河道纵向至中心线起点的距离，按时间与距离加权平均的方法计算出水下断面各测点的实时水位。在河段局部存在横比降的情况下，使用临时水位站P1、P2、P3的观测水位，t时刻T测点由三点法推算的应用水位tZ按5式推求。aZaZaZaZPPPt/)(332211（5）式中Zt、ZP1、ZP2、ZP3：为t时刻T、P1、P2、P3处的水位（m）；a、1a、2a、3a：分别为321PPP、32PTP、21PTP、31PTP的面积（m2）。三点法是在三个水位站围绕的测区，Hypack程序由三个水位站位置坐标建立一个三角水位面按照三角形面积加权法原理进行水位改正的，复杂的三角计算在计算机程序的帮助下变得简单。4Hypack软件水位推算应用4.1水位推算过程使用Hypack软件中心线法推算水位前，需要准备好以下文件[4]。1）每个水位站观测数据生成的TID文件；2）量测每个水位站沿中心线的距离；3）仅由中心线点构成的LNW文件。在单波束编辑器界面下选择工具－水位推算－中心线法。1）通过文件选择对话框在LNW文件区域中选择测区的中心线文件2）将鼠标置于表中第一有效单元格的位置上，单击鼠标，通过出现的文件选择对话框选择水位站TID水位数据文件；3）对应输入水位站沿中心线的距离；4）测区所有水位站数据输入完毕后，点击水位推算，程序将会把推算的每个测点的水位加入到已编辑的文件中。在使用Hypack软件三点法推算水位时，仅需要准备好三个水位站的坐标及三个水位站的TID水位文件即可。传统的中心线法水位推算是以断面为推算单位，是以假定某一断面施测期间水位不变的情况下，以断面推算水位代替该断面所有测点水位进行测点高程改算。严格来说仅考虑了断面距水位站的距离，忽略了水位在施测某一断面期间时间上变化，当水位随时间变化较大或某一断面施测时间较长时，可能造成部分测点高程失真。Hypack软件以测点为推算单位，考虑了上下游水位的时空变化和测点空间位置，理论上推求的测点应用水位更为准确。4.2水位推算精度检验在2010年长江三峡工程坝下游宜昌至枝城河段河道演变观测项目中，选取了5月14日、5月15日、5月17日等3天的水下地形测量数据。分别采用传统的水位推算方法与Hypack软件水位中心线法推算方法推算测点应用水位，把Hypack推算的测点水位按断面加权平均，通过两种方法计算的断面水位、水下地形测点高程对比分析，以评估Hypack软件水位推算精度的可靠性。表１两种水位推算方法偏差表样本数水位偏差0cm水位偏差1cm水位偏差1cm6035250表中数据表明两种水位推算方法的结果并无明显差异，对推求水下地形测点的高程并无影响。利用Hypack软件中TIN的三角建模功能，以传统推算水位改算水下点高程为基础比对Hypack软件中心线法推算水位改算的水下点高程，统计结果如图3。图3水下测点高程差异对比统计图在参与比较的8216个水下测点中，两种方法改算的水下点高程基本一致，其平均偏差为±0.01m，标准偏差为±0.02m。说明在内河中水位变幅不大的情况下两者是通用的。按断面推算水位是比较简单的一次线性插补，如果考虑横比降影响，采取三角形单元面积加权法或者两次插补计算，计算量将会很大。使用Hypack提供的三点法推算测点水位将会充分发挥软件自动计算的优势，把人从繁琐的计算解放出来，准确、及时的提供高质量的测量成果[5]。5结语在水下地形测量中，以断面为单位人工推算水位方法简单，数据透明，便于验算复核，但对需要考虑横比降的测点应用水位推算需大量计算而显得较复杂。Hypack软件推算水位方法是以测点为单位，对无论是否考虑横比降影响都有科学、严谨的符合国家规范的处理方法，但需要提供测区上下游完整的水位数据，对水位观测提出了更高要求，加大了工作量。随着社会经济发展对测绘精度要求的提高，内外业一体化，数据获取与处理自动化，测量工程控制和系统行为的智能化，测量成果和产品数字化。Hypack软件将在以后的测量中发挥更重要的作用[6]。参考文献：[1]张正禄.工程测量学[M].武汉大学出版社,2005.[2]冯守珍.水深测量误差成因分析[J].海岸工程,2004.06，第23卷第2期,45-47.[3]SL257-2000.水道观测规范[S].[4]刘志.HYPACKMAX操作手册[R].广州航道局测量部内部资料,2004.[5]黄建明.浅析高精度的水下地形测量解决方案[J].江西测绘,2005.03，48-50.[6]周军根.水下地形测量技术方案的探讨[J].四川测绘,2003.09，第26卷第3期,51-53.