GPS＿RTK測量技術在水文測站的應用探討

羅 興，吳隆學，王合凡

（1.長江中游局岳陽水文水資源勘測隊，湖南 岳陽 414000；2.長江中游局潛江水文站，湖北 潛江 433100）

GPS RTK（Real Time Kinematic）測量技術也叫載波相位差分技術，是建立在全球定位系統(tǒng)（GPS）基礎之上的實時動態(tài)定位技術，能夠實時地提供測量點在指定坐標系中的三維坐標，并能夠達到厘米級的精度。在野外作業(yè)時該項技術具備靈活、快速、省時、省力及精度高等優(yōu)點，能極大地提高工作效率和測驗精度。本文通過該技術在長江中游干流螺山水文站的應用、實驗，來探討RTK技術在水文測站中的應用，以達到在水文測站廣泛使用的目地。

1 RTK工作原理

RTK的工作原理是將一臺接收機置于基準站上，另一臺或幾臺接收機置于載體（稱為流動站）上，基準站和流動站同時接收同一時間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，基準站所獲得的觀測值與已知位置信息進行比較，得到GPS差分改正值，然后將這個改正值通過無線電數據鏈電臺及時傳遞給共視衛(wèi)星的流動站，精化其GPS觀測值，從而得到經差分改正后流動站較準確的實時位置。其工作原理如圖1所示。

圖1 RTK工作原理圖

2 RTK系統(tǒng)的組成

2.1 基準站的組成

（1）GPS接收機及其天線：用于接收GPS衛(wèi)星信號；（2）無線電傳輸設備：包括電臺和發(fā)射天線，用于發(fā)射基站無線電信號；（3）電子手簿：用于設置基準站和電臺的各項參數。

2.2 流動站的組成

（1）GPS接收機及其天線：用于接收GPS衛(wèi)星信號；（2）無線電接收電臺及其天線：用于接收基站電臺發(fā)射的無線電信號，很多儀器都將該部分設為內置在流動臺內部，減少了外接設備數量；（3）電子手簿：用于設置流動站和接受電臺的各項參數，通過手簿進行各項測量工作的操作，可以與基準臺共用一部。各系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 RTK部件組成圖

3 RTK技術在水文測站中的應用及其優(yōu)越性

3.1 水文測站地形測量

在現行水文測驗規(guī)范中規(guī)定，逢“0、5”年份，或者水文測站地形發(fā)生了明顯的變化，就必須將水文測站周圍的地形圖做詳細的測量。過去測地形時一般首先要在水文測站范圍內建立圖根控制點，然后采用全站儀或經緯儀測量地形地貌等碎部點，這些碎部點必須與測站通視，否則還需換站測驗，測驗完畢后，還要電子成圖，進行地形測量一般需要3～4人，水文測站范圍一般較小，在該測區(qū)內，這種做法耗時費力。

現在采用RTK時，僅需一人背著儀器在要測的地形地貌碎部點呆上一、二秒種，并同時輸入特征編碼，通過手簿可以實時知道點位精度，把一個區(qū)域測完后回到室內，由專業(yè)的軟件接口就可以輸出所采集的地形圖數據，這樣用RTK僅需一人操作，不要求各測點間通視，大大提高了工作效率。

3.2 水文測站大斷面測量

水文測站大斷面測量，現行規(guī)范要求起點距測量方法為鋼尺丈量、經緯儀或全站儀測驗。采用鋼尺丈量時，需在水面以上陸地部分，布置高程控制樁點，然后鋼尺丈量點與點之間的距離，并用水準儀測量高程，同時還采用其它方法檢測水邊測量精度。該方法要求測驗人員較多，當地形復雜時，比如雜草或者樹林灌木較多，距離丈量精度可能會出現誤差，當遇到測站大斷面中間出現江心洲時，該方法有很大的局限性，并且高程控制樁點不一定完全布置在斷面線上。采用全站儀觀測時，遇到江面較寬，還要換邊測量，對人力物力要求很多。

如果采用GPS-RTK測驗技術，這些問題將迎刃而解。當基準臺架設完畢后，由一人隨帶流動臺，在測站大斷面測區(qū)內找出2～3個校核點比測，比測合格后，在電子手簿中，輸入斷面線，測驗人員可以根據導航模塊，直接在斷面線上施測碎步點，這樣就可以控制每一個測點均在斷面線上，并且數據量也比較密集，可以很好控制住斷面變化轉折點，提高測驗精度。圖3為螺山水文站2008～2011年采用GPS-RTK測驗技術施測的大斷面，通過對比可以發(fā)現，陸上部分地形很吻合，應證了GPS-RTK測驗技術的可靠性。

圖3 螺山站2008～2010年大斷面圖

3.3 水文測站流量測驗（配合ADCP測流）

聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）現廣泛應用于水文測站流量測量中，該技術能大大提高測驗精度，減少測驗時間。但是當水文站的斷面存在河底走沙（俗稱“動底”）時，流量測驗將不準確，和常規(guī)測驗儀器相比，存在偏小的趨勢。在這種情況下，可以配合GPS-RTK測驗技術，利用GPS的實時動態(tài)提供的數據，將會提高流量測驗精度，發(fā)揮ADCP高效、快捷和準確的作用。表1為2010年螺山站ADCP不采用和采用GPS-RTK技術，流量測驗精度比較。

表1 螺山站采用GPS-RTK數據和不采用GPS-RTK數據測流成果精度比較

3.4 特殊情況下水準高程測驗

在RTK技術應用中，被使用者最為關注的就是高程測量的精度和基面問題。GPS測量求得的原始坐標是 WGS-84（B，L，H）三維坐標。而我國水準測量是采用1985國家高程基準或其他基面，以大地水準面為起算面，最后以正常高作為使用的高程。因為測量原理不同，兩種測量的起算面不同，所以兩種高程值之間存在差異。在特殊情況下，如果需要用GPS測量高程，可以采用以下方法來控制高程測量精度，以達到滿足測驗要求。

（1）盡量減小人為誤差影響。主要是減少天線安置誤差和天線高量取誤差 ，天線安置采用腳架對點器精確對中 ，天線高量取誤差應小于1 mm。

（2）流動臺距離基準臺距離不超過5km，以消弱電離層折射和對流層折射的影響。

（3）基準臺應架設在空曠且無遮擋的地方，以增強信號的穩(wěn)定性。

4 RTK操作時應注意的問題

GPS-RTK測量技術具有省時快捷方便的優(yōu)點，但是在使用時，應注意以下幾點要求：

（1）RTK測驗的基礎是GPS定位技術，這就要保證對GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤以及跟蹤衛(wèi)星的數目必須滿足要求。所以在工作時應把基準臺架設在地勢較高的區(qū)域或是開闊的場地，特別是要避開雷達、信號發(fā)射塔和高壓電線等影響電磁波傳輸的因素?；鶞逝_和流動臺之間的距離最好不要超過5km，以保證測量精度。

（2）在測驗過程中，必須保證采用RTK測量時的可靠性和準確性，所以必須采用已知點校核法對RTK的測量結果進行比較驗證。在實際工作中，應至少有2～3個已知點作點校正才能進行后續(xù)其他測量工作。

（3）測量時需采用一些方法來提高測量精度。如延長測量時間、使用對中器、選擇最佳觀測時段、增加觀測次數或改變基準站等。同精度兩次測量值的較差取3cm以下為宜。

（4）在使用和搬運過程中，應保護好RTK系統(tǒng)的各個部件，以確保產生準確無誤的測量數據和儀器的長期使用。

5 結 論

RTK作為一種新型的測驗技術，和傳統(tǒng)測量相比，該技術受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小，在傳統(tǒng)測量看來由于地形復雜、地物障礙而造成的難通視地區(qū)，只要滿足RTK的基本工作條件，它也能輕松地進行快速的高精度定位作業(yè)，并且測量誤差分布均勻、相互獨立，不存在誤差積累，精度可靠度較高，在實際應用中有著廣闊的前景，特別是應用到水文測站后，可以大大提高水文工作效率，減輕勞動強度。

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