GPS—RTK技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用

曾　嘉

摘要：文章結(jié)合實例介紹了采用GPS RTK技術(shù)與數(shù)字測深儀組合的方法對水下地形進(jìn)行測量的工作原理及外業(yè)數(shù)據(jù)的采集過程，從實踐中總結(jié)出GPSRTK技術(shù)給水下地形測量帶來了巨大的技術(shù)變革，不僅提高了測量精度，而且提高了效率和成本。為水下地形測量開辟了新天地。

關(guān)鍵詞：GPS-RTK；數(shù)字測深儀；水下地形測量；數(shù)據(jù)采集；基準(zhǔn)站

中圖分類號：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)17-0051-02

一、概述

在水下地形測量上，傳統(tǒng)的方法是采用全站儀結(jié)合測深儀進(jìn)行測量，即在岸上架設(shè)全站儀，在船體上固定反光棱鏡，通過全站儀測量即時點位坐標(biāo)，船上作業(yè)員同一時間記錄測深儀中所測水深值，內(nèi)業(yè)處理時再將兩份數(shù)據(jù)統(tǒng)一。隨著GPS技術(shù)的興起和發(fā)展，打破了這一傳統(tǒng)方法，采用GPS-RTK結(jié)合數(shù)字測深儀的方法進(jìn)行，即采用GPS-RTK技術(shù)獲得測點點位坐標(biāo)，數(shù)字測深儀獲得水深值，通過軟件實時同步的記錄點位坐標(biāo)和水深值，再根據(jù)實測值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和地形圖的繪制。

在長江三峽水利樞紐右岸三期下游圍堰拆除工程中，就采用了這一方法進(jìn)行水下地形測量。GPS采用的是南方靈銳s82GPS-RTK測量系統(tǒng)；數(shù)字測深儀采用的是無錫海鷹公司的HY1700型測深儀；軟件為南方海洋自由行測量導(dǎo)航軟件。作業(yè)過程即通過導(dǎo)航軟件實時同步的自動記錄平面點位及其水濟(jì)值并存儲到相應(yīng)文件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理后再利用成圖軟件自動建模并生成數(shù)字化地形圖。

二、GPS—RTK工作原理

RTK(RealTimeKinematic)實時動態(tài)測量技術(shù)，是以載波相位觀測為根據(jù)的實時差分GPS(RTDGPS)技術(shù)，它是測量技才發(fā)展里程中的一個突破，它由基準(zhǔn)站接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈、流動站接收機(jī)三部分組成?；鶞?zhǔn)站實時地將測量的載波相位觀測值、偽距觀測值、基準(zhǔn)站坐標(biāo)等用無線電傳送給運動中的流動站，流動站通過無線電接收基準(zhǔn)站發(fā)射的信息，將載波相位觀測值實時進(jìn)行差分處理，得到基準(zhǔn)站和流動站坐標(biāo)差△X、△Y、△H。坐標(biāo)差加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)得到每個點的WGS-84坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換得出流動站每個點的平面坐標(biāo)x、Y和海拔高H其精度可達(dá)cm。如圖1所示：

在水下地形測量時，基準(zhǔn)站一般架設(shè)在固定的高等級控制點上，而移動站則與測深儀的換能器一同固定在船體上。

三、三峽三期下游圍堰拆除工程中GPS-RTK水下地形測量

(一)準(zhǔn)備工作

1、收集測區(qū)控制網(wǎng)成果，包括控制點的坐標(biāo)，等級，中央子午線等參數(shù)。同時明確測圖區(qū)域及測圖比例，將測圖范圍輸入筆記本電腦，選擇合適圖幅，建立導(dǎo)航圖。

2、求定測區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。因為三峽工程采用的是獨立大壩坐標(biāo)系，而RTK得出的坐標(biāo)為WGS-84坐標(biāo)，所以必須計算出兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三峽大壩坐標(biāo)系。方法是：(1)將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點A上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、發(fā)射間隔及最大衛(wèi)星使用數(shù)，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和7參數(shù)，輸入基準(zhǔn)站坐標(biāo)(該點的單點84坐標(biāo))后設(shè)置為基準(zhǔn)站；(2)將GPS移動站架設(shè)在已知點B上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、接收間隔，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和7參數(shù)后，求得該點的固定解(84坐標(biāo))；(3)通過A、B兩點的84坐標(biāo)及當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3、選取合適高等級控制點作為基準(zhǔn)站。GPS-RTK定位的數(shù)據(jù)處理過程是基準(zhǔn)站和流動站之間的單基線處理過程，基準(zhǔn)站和流動站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞、無線電的信號傳播質(zhì)量好壞對定位結(jié)果的影響很大，基準(zhǔn)站位置的有利選擇非常重要。RTK測量中，流動站隨著基準(zhǔn)站距離增大，初始化時間增長，精度將會降低，所以流動站與基準(zhǔn)站之間距離不能太大，一般不超過10km范圍。同時要考慮基準(zhǔn)站上空無衛(wèi)星信號的大面積遮蓋和影響RTK數(shù)據(jù)鏈通訊的無線電干擾，以及提高基準(zhǔn)站無線架設(shè)高度。因此該次基準(zhǔn)站選在距離測區(qū)2km的首級平面控制點“測繪樓”。

(二)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1、基準(zhǔn)站設(shè)置。將基準(zhǔn)站架設(shè)到控制點，并將電臺等連接到位后，打開主機(jī)和電臺，當(dāng)主機(jī)和電臺的顯示狀態(tài)正常就表示基準(zhǔn)站開始工作。靈銳s82采用全內(nèi)置—體化工業(yè)三方設(shè)計，將數(shù)據(jù)鏈、藍(lán)牙、雙頻天線整合成小巧的全無線一體接收機(jī)單元，只要打開主機(jī)，其就能自動完成初始化和搜星工作，簡單方便。

2、移動站設(shè)置。將移動站連接完成后打開主機(jī)讓其完成初始化和搜星。待顯示狀態(tài)正常時表示移動站開始工作。

3、校正。南方靈銳S82提供了強大的手簿功能，在通過手簿輸入基準(zhǔn)站坐標(biāo)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)后，可以對移動站進(jìn)行校正。校正方法有兩種：(1)利用2個以上控制點建立坐標(biāo)庫從而求得四參數(shù)(在四參數(shù)未知情況下)；(2)通過手簿上“校正向?qū)А惫δ?，根?jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)進(jìn)行校正(在四參數(shù)或七參數(shù)已知情況下)。靈銳$82也能在基準(zhǔn)站未知的情況下，通過移動站架設(shè)已知點來進(jìn)行校正。需要注意的是，要注意GPS解算狀態(tài)必須是固定解時校正才正確，否則必須停止。校正完畢后，就可以開始數(shù)據(jù)采集了。

4、數(shù)字測深儀。數(shù)字測深儀采用的是無錫海鷹公司的HY1700測深儀，是一種用于江河、湖泊、淺海及水庫進(jìn)行水深測量的便攜式測深記錄器，適用于水文、勘察、航道及碼頭疏浚等行業(yè)的精密測量及水深數(shù)據(jù)輸出，采用先進(jìn)的數(shù)字信號處理DSP技術(shù)，水底跟蹤門技術(shù)于一體，使儀器能在惡劣的水文環(huán)境和地貌情況下，得到精確、真實、穩(wěn)定的水聲數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)的RS232／RS485串口使儀器能和計算機(jī)通訊。

5、數(shù)據(jù)采集。將移動站和測深儀的換能器固定好，將移動站和測深儀通過串口與手提電腦連接，連接好后可以開始采集。根據(jù)測區(qū)范圍選擇合適的點位密度，因為三期圍堰所在測區(qū)范圍不大，且要涉及工程量，所以采集時按每3～5m布設(shè)一測量點。南方自由行導(dǎo)航軟件實時同步的記錄測點坐標(biāo)和水深值，并顯示在導(dǎo)航圖上。由于是實時記錄，所以要注意GPS的解算狀態(tài)，應(yīng)為固定解，否則其測點精度不高。

(三)將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理

將水深值結(jié)合其統(tǒng)一到基準(zhǔn)面的改正數(shù)、根據(jù)相關(guān)水文部門各水文站提供的水位觀測資料綜合計算獲得點位的高程值，與平面坐標(biāo)組合成該測點的三維空間坐標(biāo)，并存儲于文本文件中，利用南方CASS成圖軟件繪制地形圖。

四、需要注意的問題

1、基準(zhǔn)站一般應(yīng)選在周圍視野開闊，避免在截止高度角15°以內(nèi)有大型建筑物；避免附近有干擾源，如高壓線、變壓器和發(fā)射塔等；不要有大面積水域；為了讓基準(zhǔn)站差分信號能傳播的更遠(yuǎn)，基準(zhǔn)站一般應(yīng)選在地勢較高、地質(zhì)條件好、點位穩(wěn)定、易于保存的地方，同時顧及施測的便利，盡可能利用原有的標(biāo)石觀測墩。

2、考慮到測點平面位置與測深儀水深值的同步問題，以及GPS所測的水面點與測深儀所測水下點是否重合的問題。因此，要求GPS接收天線和測深儀的探頭安裝在一條垂線上，而接收GPS的定位信號和測深儀所接收的測深信號必須同步，否則都要進(jìn)行相應(yīng)的改正。探頭一般要求安裝在船的側(cè)邊，以免后面的浪花影響測深的精度。

3、測船速度的確定。測量船的航速是一個直接影響測量成果的重要因素。航速過快，會造成接收GPS的定位信號和測深儀所接收的測深信號同步性減弱，點位坐標(biāo)精度急劇下降，從而影響水下地形測繪的精度，而過慢時，會造成測量數(shù)據(jù)過多過密，使后期數(shù)據(jù)處理過程過于繁瑣，影響效率。所以船速要選擇合適，既要保證測量精度，又保證采集數(shù)據(jù)真實有效的反映實際地形。

五、結(jié)語

GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的水下地形測量方法，不僅減少了外界因素對作業(yè)過程的過多干擾，而且降低外業(yè)數(shù)據(jù)采集的勞動強度和成本，提高了作業(yè)效率，更重要的是大幅提高了測量點位的精度，使得水下地形測量這項工程變得簡單、方便、快捷、輕松、高效、經(jīng)濟(jì)，可以全天候的實施測量工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS-RTK技術(shù)將會更加完善，給包括水下地形測量在內(nèi)的各種工程項目帶來更加美好的明天。

參考文獻(xiàn)

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[3]梁開龍，水下地形測量[M]，北京：測繪出版社，1995

作者簡介：曾嘉(1981－)，男，葛洲壩股份有限公司測繪工程院助理工程師，研究方向：水電工程施工測量、數(shù)據(jù)處理、數(shù)字化制圖。