RTK技術(shù)和回聲測(cè)探技術(shù)在澧水航道測(cè)量中的應(yīng)用

成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院 郭大為 高雅萍 李 奕

RTK技術(shù)和回聲測(cè)探技術(shù)在澧水航道測(cè)量中的應(yīng)用

成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院 郭大為 高雅萍 李 奕

隨著全球定位技術(shù)的發(fā)展，作為GPS常用測(cè)量方法的RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)因其高精、高效、易操作的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量和放樣工作中。應(yīng)用RTK技術(shù)輔助回聲測(cè)聲技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量，能更快速、準(zhǔn)確地獲取水下地形信息。

一、工程概況及測(cè)量?jī)?nèi)容

受湖南省交通廳委托，湖南省航務(wù)勘察設(shè)計(jì)研究院擬對(duì)石門三江口至茅草街河段（全長(zhǎng)168 km）進(jìn)行航道勘測(cè)，需要進(jìn)行水下地形測(cè)量，但由于所測(cè)航道較長(zhǎng)，若采用傳統(tǒng)的水下測(cè)量方法，不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且難以保證水下地形的測(cè)量精度，因此，決定采用RTK配合測(cè)深儀的方法進(jìn)行施測(cè)。測(cè)量?jī)?nèi)容包括平面和高程控制測(cè)量、水深測(cè)量。測(cè)量比例尺為1∶5 000，以CASS數(shù)字化建模成圖。根據(jù)測(cè)區(qū)的特點(diǎn)，保證測(cè)繪工作的順利進(jìn)行，投入足夠的技術(shù)力量和先進(jìn)的儀器設(shè)備。

二、RTK的基本原理

1.GPS定位技術(shù)工作原理介紹和工作模式的選定。由于在該測(cè)量中不僅要求精度高，而且要可靠、方便、快捷，因此，采用GPS定位技術(shù)。但問(wèn)題是需要針對(duì)澧水航道特點(diǎn)和澧水地理環(huán)境，確定選用何種類型的GPS定位接收機(jī)、何種定位模式。經(jīng)調(diào)研和試驗(yàn)，選定具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）工作模式的Trimble R6接收機(jī)。這也契合了澧水航道測(cè)量的地理環(huán)境特點(diǎn)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK技術(shù)基于載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，能夠?qū)崟r(shí)獲得測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）系統(tǒng)由三部分組成：基準(zhǔn)站接收機(jī)、流動(dòng)站接收機(jī)和數(shù)據(jù)鏈。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站接收機(jī)設(shè)在具有已知坐標(biāo)的參考點(diǎn)位置上，連續(xù)接收所有可視GPS信號(hào)，并將測(cè)站坐標(biāo)、觀測(cè)值等數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈發(fā)送出去，流動(dòng)站接收機(jī)在跟蹤、接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，通過(guò)OTF算法求解相位整周模糊度，再通過(guò)相對(duì)定位模型實(shí)時(shí)解算出流動(dòng)站厘米級(jí)WGS-84坐標(biāo)，根據(jù)工程特點(diǎn)將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.回聲測(cè)深儀的基本原理。超聲波測(cè)距是回聲測(cè)深儀的一種。它是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t,然后求出距D = Ct/2，式中，C為超聲波波速。超聲波聲速C與溫度有關(guān)。如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)其加以校正。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。

3.水下地形測(cè)量的作業(yè)步驟。水下地形測(cè)量包括以下幾個(gè)步驟。

（1）儀器設(shè)備準(zhǔn)備。GPS RTK儀器1套；測(cè)深儀1臺(tái)，電瓶1個(gè)，水上測(cè)量導(dǎo)航軟件1套，后期處理軟件1套（動(dòng)、靜態(tài)解算和平差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換），筆記本電腦1部，船1艘，鉗子、救生衣、鐵絲、繩子若干。

（2）作業(yè)計(jì)劃。事先了解測(cè)區(qū)的地理、天氣、水深等信息，做好水深測(cè)量的路線、測(cè)量距離計(jì)劃。

（3）水下地形測(cè)量的實(shí)施。首先，求解GPS轉(zhuǎn)換參數(shù)，架設(shè)好基準(zhǔn)站，并檢驗(yàn)其正確性；然后，將測(cè)深儀探頭固定在船上，連接好GPS接收機(jī)、測(cè)深儀和電腦，打開電源，設(shè)置記錄設(shè)置、定位儀和測(cè)深儀接口、接收機(jī)數(shù)據(jù)格式、測(cè)深儀配置、天線偏差改正及延遲改正，開動(dòng)船只，開始作業(yè)。

（4）數(shù)據(jù)處理。利用南方自由行測(cè)量軟件處理水下數(shù)據(jù)，通過(guò)成圖軟件繪出水下地形圖及其他圖表和報(bào)告。

三、測(cè)量實(shí)例

根據(jù)測(cè)區(qū)河道流域的地形特點(diǎn)與航道整治的實(shí)際需要，以E級(jí)GPS網(wǎng)作為測(cè)區(qū)平面首級(jí)控制網(wǎng)，以滿足I級(jí)導(dǎo)線測(cè)量規(guī)范，每隔8 km左右在兩岸布設(shè)一對(duì)通視的D級(jí)點(diǎn)作為導(dǎo)線起點(diǎn)。本測(cè)區(qū)由三段E級(jí)GPS網(wǎng)組成，對(duì)網(wǎng)交接處公共邊均進(jìn)行聯(lián)測(cè)。I級(jí)導(dǎo)線測(cè)量是利用新測(cè)GPS-E級(jí)點(diǎn)作為起算閉合。導(dǎo)線布設(shè)依江面寬窄情況，沿單岸或之字形兩岸過(guò)渡。由于堤岸上的地形幾乎沒有遮擋，有利于RTK的采點(diǎn)施測(cè)。在正式野外施測(cè)時(shí)，設(shè)置好GPS RTK，將基準(zhǔn)站架設(shè)于河邊小山頂、空曠的堤岸邊已知的E級(jí)點(diǎn)上，RTK流動(dòng)站初始化后，利用附近3個(gè)已知控制點(diǎn)求算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程異常，然后進(jìn)行碎部點(diǎn)的三維坐標(biāo)的施測(cè)，每點(diǎn)觀測(cè)2 min，觀測(cè)數(shù)據(jù)存入手薄機(jī)內(nèi)存中；同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)畫草圖。

四、作業(yè)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

1.科學(xué)假設(shè)基準(zhǔn)站。基準(zhǔn)站應(yīng)安置在地勢(shì)高且開闊的已知點(diǎn)上，以便于基準(zhǔn)站衛(wèi)星信號(hào)的接收和電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈的發(fā)射。基準(zhǔn)站電臺(tái)天線要盡量高，否則會(huì)影響電臺(tái)信號(hào)的強(qiáng)度。

2.電瓶電量要充足。電瓶電量要充足，否則影響作業(yè)距離。

3.適時(shí)測(cè)量。為保證水深測(cè)量精度，測(cè)量應(yīng)選擇在風(fēng)平浪靜的天氣進(jìn)行。

4.勻速行船。為了保證數(shù)據(jù)鏈的連續(xù)性和測(cè)量精度，應(yīng)保持測(cè)量船勻速行駛，不出現(xiàn)顯著的加速度。

五、結(jié)論

與傳統(tǒng)的測(cè)量方式相比，RTK配合測(cè)深儀在進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)，具有較大優(yōu)勢(shì)，特別是在水域面積較大、水下地形復(fù)雜、水位較深的水域。這種水下地形測(cè)量方法不僅簡(jiǎn)單、高效，可以全天候作業(yè)，而且還能大大提高水深測(cè)量的精度。但目前，受GPS衛(wèi)星信號(hào)的制約，采用GPS RTK配合測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量還有一定的局限性，在遮擋嚴(yán)重的地區(qū)（如陡峭的峽谷、河道等地方），還不能完全取代傳統(tǒng)的測(cè)量方法，而必須結(jié)合全站儀進(jìn)行測(cè)量。