基于JSCORS與似大地水準(zhǔn)面精化模型的RTK三維水深測量研究

李昱，劉杰

（長江南京航道局，南京210011）

基于JSCORS與似大地水準(zhǔn)面精化模型的RTK三維水深測量研究

李昱，劉杰

（長江南京航道局，南京210011）

文章以長江江蘇段為實(shí)例，提出了一種RTK三維水深測量測量方法，利用長江江蘇段沿岸的控制點(diǎn)資料，基于分段二次曲面與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合算法建立似大地水準(zhǔn)面精化模型。利用該模型換算測深點(diǎn)高程數(shù)據(jù)文件，并輸出數(shù)據(jù)成圖。經(jīng)多方面精度測試比對，此方法能夠獲得高精度的水底點(diǎn)高程。

RTK三維水深測量；似大地水準(zhǔn)面精化；二次曲面；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

隨著水運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展，水下地形測繪工作也越來越顯出其重要性。目前水下地形測量大多采用實(shí)際人工或自動驗(yàn)潮方法直接獲取水深測量時的水位，這種方法作業(yè)效率不高、獲取的水位精度相對較低，同時存在人為干擾因素導(dǎo)致其可靠性不強(qiáng)［1-2］。

本文以長江江蘇段為實(shí)例，提出了一種RTK三維水深測量方法。

1 RTK三維水深測量原理

隨著全球定位技術(shù)的日益發(fā)展，能夠在動態(tài)環(huán)境下實(shí)時獲取厘米計(jì)甚至毫米級的平面定位精度和厘米級的高程定位精度，GPS測高精度的保證使得RTK三維水深測量技術(shù)成為可能［3-4］。

RTK三維水深測量原理如圖1所示。GPS接收機(jī)的天線高程減去桿長再減去換能器下水深即為水底高程［5］，公式如下

式中：H為水底點(diǎn)高程；HGPS為天線高程；b為桿長；S為換能器下水深。

采用RTK三維水深測量模式，摒棄了傳統(tǒng)水下地形測量對潮位觀測的嚴(yán)格要求，直接獲取水底點(diǎn)高程，可以有效地消除動吃水以及波浪上下等因素影響；可進(jìn)行全天候作業(yè)，不受晝夜影響，提高作業(yè)效率；避免了由于潮位觀測帶來的水位改正誤差，可得到即時水位無需人工設(shè)立水尺進(jìn)行水位觀測，節(jié)約成本［6］。

RTK技術(shù)在高程測量中的精度主要取決于儀器本身的精度和高程異常的擬合精度，儀器本身的精度為已知，因此長江下游RTK三維水深測量技術(shù)中解決大范圍條帶狀高程異常問題是關(guān)鍵，也是本文關(guān)注的重點(diǎn)［7］。

圖1 水面高程與測深原理示意圖Fig.1Sketch of water surface elevation and sounding theory

2 高程擬合方法

目前高程擬合的方法主要有多項(xiàng)式擬合和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，本文根據(jù)已有資料，分別采用二次曲面擬合、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分段二次曲面與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合3種方法進(jìn)行對比研究［8］。

上述3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

對于大區(qū)域的似大地水準(zhǔn)面精化工作，單一的擬合模型難以滿足精度要求和實(shí)際工程的需要，為了提高擬合精度，采用分區(qū)擬合的方法［9］。

以本文所研究的長江江蘇段為例，該區(qū)段總長約400 km，呈現(xiàn)狹長的條帶狀。通過對已有控制點(diǎn)高程異常資料分析可知，其高程異常由西向東，呈增大趨勢，增大幅度有較大差異，并且不成明顯線性規(guī)律。從西到東高程異常的變化值近12 m；南北兩岸高程異常的變化值也可達(dá)分米級的變化。因此，采用分段擬合的方法是解決這一問題的有效手段?？紤]到研究范圍呈狹長條帶狀，控制點(diǎn)選取時沿長江兩岸成對布設(shè)，以有利于對條帶狀地形的兩側(cè)控制和后期的高程擬合。

根據(jù)分段總體擬合精度高、區(qū)域數(shù)盡量少的原則，綜合考慮了控制點(diǎn)、長江走向、高程異常等因素，進(jìn)行多次分區(qū)調(diào)試后，本文最終確定將長江江蘇段分成8個分段，相鄰兩個分段用數(shù)學(xué)函數(shù)平滑連接成一體，最終形成了長江江蘇段的似大地水準(zhǔn)面精化成果。每個分段長度在50 km左右，控制點(diǎn)在18個左右，其中用8～10個控制點(diǎn)來進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化模型解算，剩下的點(diǎn)作為檢查點(diǎn)來檢核模型的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

表1 三種擬合方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較表Tab.1Advantages and disadvantages of three fitting methods

圖2 長江江蘇段分段擬合示意圖Fig.2Sketch of Jiangsu section of the Yangtze River

3 RTK三維水深測量系統(tǒng)構(gòu)建

考慮到長江下游江面較寬，傳統(tǒng)RTK作用范圍約10 km，本文采用JSCORS構(gòu)建RTK三維水深測量系統(tǒng)。

江蘇省全球?qū)Ш叫l(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站綜合服務(wù)系統(tǒng)（Jiangsu Continuously Operating Reference Stations，簡稱JSCORS）于2006年12月建成并投入運(yùn)行。該系統(tǒng)通過在全省及周邊范圍內(nèi)建設(shè)的70個GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站，在江蘇省內(nèi)建立了一個高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋率的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)綜合信息服務(wù)網(wǎng)。

本文研究的RTK三維水深測量系統(tǒng)基于JSCORS精確測定GPS天線位置的三維坐標(biāo)（平面位置和大地高），并根據(jù)似大地水準(zhǔn)面精化成果開發(fā)“長江江蘇段無驗(yàn)潮高程擬合”軟件，將其無縫嵌入中海達(dá)測深軟件內(nèi)業(yè)處理流程中，形成RTK三維水深測量系統(tǒng)［10-11］。具體操作流程如圖3所示。

圖3RTK三維水深測量系統(tǒng)操作流程圖Fig.3Operation flow chart of non?tide sounding survey system

4 精度分析

檢測工作包括似大地水準(zhǔn)面的精度測試和水下地形對比精度測試兩部分［12］。

4.1 精化模型精度測試

4.1.1 已知控制點(diǎn)精度測試結(jié)果

通常用內(nèi)符合精度和外符合精度指標(biāo)來確定大地水準(zhǔn)面的擬合精度M。其中，根據(jù)擬合點(diǎn)的殘差計(jì)算內(nèi)符合精度，根據(jù)檢核點(diǎn)的殘差計(jì)算外符合精度。內(nèi)符合精度用來說明模型學(xué)習(xí)樣本的能力，外符合精度是用來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木取?/p>

長江江蘇段分成8個分段來進(jìn)行高程擬合。先計(jì)算出已知點(diǎn)的高程異常真值，然后利用課題組研制的軟件計(jì)算出擬合后的高程異常值，再進(jìn)行分析比較。對長江江蘇段似大地水準(zhǔn)面精化各分段擬合情況進(jìn)行匯合，具體數(shù)據(jù)如表2。

從表2可知，內(nèi)符合精度數(shù)值最大為3.01 cm，外符合精度數(shù)值最大為3.24 cm。第8分段由于面積控制范圍相對較大，已知點(diǎn)相對較少，內(nèi)、外符合精度數(shù)值較其他分段大，但其結(jié)果也優(yōu)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的擬合精度要求。整個長江江蘇段的似大地水準(zhǔn)面精化系統(tǒng)綜合的內(nèi)符合精度指標(biāo)為1.83 cm，外符合精度指標(biāo)為2.17 cm?？傮w精度較好，滿足RTK三維水深測量系統(tǒng)的水位測量的精度要小于5 cm的要求。

4.1.2 連續(xù)運(yùn)行參考站精度測試結(jié)果

根據(jù)長江江蘇段沿線17座連續(xù)運(yùn)行參考站資料，計(jì)算出控制點(diǎn)的高程異常已知值，然后利用本文擬合后的高程異常值，再進(jìn)行分析比較。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3可知，外符合精度為4.08 cm，相對上節(jié)結(jié)果精度偏低。經(jīng)分析主要是由于連續(xù)運(yùn)行參考站均建設(shè)在樓頂，高差均用三角高程方法向樓頂進(jìn)行傳遞，可能存在一定誤差；另外連續(xù)運(yùn)行參考站成果資料可能與上節(jié)已知點(diǎn)之間存在一定的系統(tǒng)誤差，但其最終結(jié)果也優(yōu)于設(shè)計(jì)的擬合精度要求（小于5 cm）。

表2 長江江蘇段似大地水準(zhǔn)面精化各分段擬合情況統(tǒng)計(jì)表Tab.2Statistics of quasi?geoid fitting for each section in Jiangsu

表3 連續(xù)運(yùn)行參考站測試擬合精度統(tǒng)計(jì)表Tab.3Statistics of cors fitting precision

4.2 水下地形對比精度測試

在長江江蘇段所屬某區(qū)段的典型江面上進(jìn)行精度測試。分別用驗(yàn)潮法和RTK三維水深測量兩種方法進(jìn)行，對比兩種方法水下河床的離散點(diǎn)高程，再進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)：

測試選取了1條測線，共1 590個水下地形點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對比誤差在0～3 cm的點(diǎn)占60%，對比誤差在3～6 cm的點(diǎn)占29%，對比誤差在6～8 cm的點(diǎn)占11%，對比誤差大于8 cm的點(diǎn)占0%，符合正態(tài)分部。對比精度為3.8 cm，相對較小，說明兩種進(jìn)行的水下地形內(nèi)業(yè)處理結(jié)果具有一致性。產(chǎn)生誤差的原因初步判定為：驗(yàn)潮方法的水位測量誤差、河心比降引起的水位誤差、測量過程中船身動態(tài)吃水誤差等綜合影響，而這些誤差正是RTK三維水深測量系統(tǒng)中所克服掉的。

經(jīng)過似大地水準(zhǔn)面的精度測試和水下地形對比精度測試兩部分后，說明RTK三維水深測量系統(tǒng)總體精度較好（小于5 cm），滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

（1）本文研究通過GPS測高直接得出水底點(diǎn)高程，無需驗(yàn)潮便可完成水下地形測量工作。相對傳統(tǒng)方法，RTK三維水深測量具有方便、簡單和快捷等特點(diǎn)，能夠有效消除動吃水以及波浪上下對水深測量的影響，能夠避免水位測量誤差、模型改正誤差、水面比降等因素對整體測量精度的影響。（2）本文研究了一種基于二次曲面擬合和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的似大地水準(zhǔn)面精化方法，并開發(fā)了應(yīng)用于長江江蘇段RTK三維水深測量的轉(zhuǎn)換模型軟件，經(jīng)多方面的精度測試，整體精度優(yōu)于5 cm，滿足設(shè)計(jì)需要和規(guī)范要求。（3）考慮到常規(guī)RTK差分技術(shù)作用距離受限，本文采用了JSCORS定位技術(shù)方案，與常規(guī)RTK三維水深測量系統(tǒng)相比，能夠有效克服其作業(yè)范圍小，高程精度受改正模型影響較大且改正精度不均勻、受參考站電臺距離作業(yè)距離影響等缺點(diǎn)。（4）本文研究開發(fā)的長江江蘇段似大地水準(zhǔn)面精化軟件，不改變傳統(tǒng)測量方式，能夠與常規(guī)海洋測繪軟件無縫銜接，易于推廣使用。

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Non?tide sounding survey technique on combination of conicoid fitting and BP neural network

LI Yu,LIU Jie
（Changjiang Nanjing Waterway Bureau,Nanjing 210011,China）

Taking Jiangsu section of the Yangtze River as an example,a non?tide sounding survey technique was presented in this paper.Using the data of Jiangsu section of the Yangtze River coast,the quasi?geoid model was established based on the combination of conicoid fitting and BP neural network.The sounding point elevation data files were converted by this model,and the data mapping was outputted.According to the comparison of precision tests,this method can get high precision elevation of underwater point.

non?tide sounding survey；quasi?geoid determination；conicoid fitting；BP neural network

P 229.3

A

1005-8443（2014）06-0633-04

2014-02-26；

2014-04-01

李昱（1983-），男，江西省九江人，工程師，主要從事測繪、航道、智能水運(yùn)研究工作。

Biography：LI Yu（1983-），male，engineer.