ＲＴＫ技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用

楊麗坤　李海軍

水下地形測量包括2部分:定位和水深測量。就目前的水下地形測量的主流技術(shù)而言,定位采用的是GPS衛(wèi)星定位法,而水深測量采用的是回聲測深儀的方法。本文結(jié)合某橋梁工程測量的實踐,闡述GPS RTK技術(shù)應(yīng)用于大范圍水下地形測量的基本原理、作業(yè)流程和技術(shù)要求。

RTK技術(shù)基本原理:在RTK作業(yè)模式下,基準站和流動站保持同時跟蹤至少5顆以上的衛(wèi)星,基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和已知信息一起傳送給流動站;流動站將自己采集的GPS觀測數(shù)據(jù)和通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù),在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測方程并進行實時處理,在運動中求解起始相位模糊度值,同時通過輸入相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),實時得到測點的三維坐標(biāo)及精度。

1 RTK水下地形測量的作業(yè)流程

1.1 收集測區(qū)的已知控制點資料進入測區(qū)前首先收集測區(qū)的控制點資料,包括控制點的坐標(biāo)、等級、坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)等,調(diào)查了解控制點周圍地形和環(huán)境是否符合RTK基準站的設(shè)置要求。根據(jù)測區(qū)大小、已知點密度及其分布情況,決定是否需要進行控制點加密工作。

1.2確定測區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)GPS測量是在WGS-84坐標(biāo)系中進行的,而工程項目一般采用北京54坐標(biāo)(或西安80坐標(biāo))或當(dāng)?shù)刈鴺?biāo),兩者之間存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。這里采用經(jīng)典的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換Bursa(布爾薩)七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。

實際工作中,在測區(qū)布設(shè)三等GPS控制網(wǎng)和四等水準網(wǎng),沿河道防洪大堤均勻布設(shè)18個GPS控制點(平面和高程)和長達40 km的四等水準線路。同岸相鄰兩GPS控制點的間距約為5 km。在確定轉(zhuǎn)換參數(shù)時,有以下2點:1)已知點在測區(qū)兩岸均勻分布,以有效控制測區(qū);2)為了提高精度,此項目選用3個以上的控制點,利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù),通過多個點的匹配方案,選擇殘差較少、精度較高的1組參數(shù)為最終啟用參數(shù)。

1.3 基準站的選定原則基準站的安置是順利實施RTK作業(yè)的關(guān)鍵之一?；鶞收景仓脩?yīng)滿足以下條件:1)基準站設(shè)在有精確坐標(biāo)的已知點上;2)基準站安置應(yīng)選擇地勢較高、無遮擋、電臺有良好覆蓋域的地方;3)為防止數(shù)據(jù)鏈的丟失和多路徑效應(yīng),基準站周圍應(yīng)無GPS信號反射物,200 m范圍內(nèi)無高壓電線、電視臺、無線電發(fā)射臺等干擾源。

1.4 RTK施測步驟

步驟1,基站和流動站的設(shè)置。首先在已知點上設(shè)置GPS基準站,打開接收機,輸入點號、天線高、WGS-84已知坐標(biāo),啟動基準站,發(fā)射RTK信號。設(shè)置電臺的通道和靈敏度,檢查電臺發(fā)射指示燈是否正常。然后啟動GPS流動站,首先進行系統(tǒng)設(shè)置,輸入轉(zhuǎn)換參數(shù),選擇與基準站電臺相匹配的電臺頻率,檢查電臺接收指示燈是否正常,檢查接收衛(wèi)星顆數(shù)(≥4顆)。先檢測1～2個已知控制點,評定測量精度。

步驟2,測深儀的檢測。用檢查板在測區(qū)內(nèi)進行測深儀聲速測定,利用測定的聲速在不同水深處進行實際水深與測深儀測深值的比較。準確無誤后,校正測深儀的聲速,保證水深值的正確性。測深完成后用同樣的方法進行檢查。確認無誤后,安裝測深裝置,連接計算機接口,即可開始正式采集同步的三維數(shù)據(jù)。

步驟3,外業(yè)測量。水下地形點采用“Trimble 5700 GPS接收機RTK方式+中海達海洋測量軟件及電子數(shù)字測深儀”自動采集水下地形點的平面坐標(biāo)及高程。在測船上將測深儀、GPS(流動站)分別與便攜機通過傳輸電纜相連接,使用便攜機內(nèi)導(dǎo)航軟件保證測船在預(yù)定計劃線上行駛,并實時傳輸RTK作業(yè)數(shù)據(jù),使用測深儀數(shù)據(jù)與GPS同步自動記錄。

1.5 內(nèi)業(yè)處理外業(yè)結(jié)束后,利用中海達隨機配套軟件對測量數(shù)據(jù)進行后處理,形成所需要的測量結(jié)果。GPS接收機本身所測水面地形點坐標(biāo)(x,y,H),其中x、y為北京54坐標(biāo)(x為北坐標(biāo),y為東坐標(biāo),H為GPS天線幾何中心高程)。因為是平面坐標(biāo),GPS所測得的水面點x和y坐標(biāo)即為水下地形點的平面坐標(biāo)x′和y′,水下地形點的高程H′=H-h-Zc(Zc為天線至水面的距離,h為測深儀所測水深),就得到水下地形點的三維坐標(biāo)(x′,y′,H′),最后將坐標(biāo)文件導(dǎo)入繪圖軟件(如cass7.0)中,根據(jù)水底高程,繪制等深線。

2 精度分析

水下地形測量的精度包括平面的定位精度和水下地形點的高程測量精度。不考慮起始點誤差的影響,測量精度主要取決于以下3個方面。1)高程轉(zhuǎn)換精度:采用Bursa轉(zhuǎn)換模型,轉(zhuǎn)換精度可達到(2～3)cm。2)測量精度:Trimble5700RTK平面精度可達1 cm,高程精度可達2 cm。ODOM單頻測深儀精度為±1 cm±1‰水深。3)其他因素的影響:主要是風(fēng)浪引起測船的起伏和搖擺的影響。由于GPS天線與測深儀換能器之間聯(lián)桿的長度為一固定值,因此測深船的垂直起伏不會給水下地形測量的精度帶來影響;但測深船的搖擺會引起GPS天線與測深儀換能器之間聯(lián)桿的傾斜。

3 結(jié)束語

GPS RTK測量技術(shù)各觀測值都是獨立觀測,能達到厘米級的定位精度,既可以實時提供點位坐標(biāo)和高程,又可實時知道測量點位精度,極大地提高工作效率。

全球定位系統(tǒng)能較好地完成大面積水域地形測量。特別是在因氣候條件差,常規(guī)測量儀器難于完成的作業(yè)區(qū)域,可以充分發(fā)揮RTK快速和高精度定位的優(yōu)勢,來提高測量精度,減輕測量人員的內(nèi)、外業(yè)勞動強度。■

(作者單位:鄭州工業(yè)貿(mào)易學(xué)校)