GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量技術(shù)在邛海庫容測(cè)量中的應(yīng)用

【摘要】近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，全球定位系統(tǒng)GPS測(cè)量技術(shù)得到飛速發(fā)展，測(cè)量方式上也發(fā)生了很大變化，從靜態(tài)發(fā)展到載波相位差分實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量。RTK測(cè)量精度高、速度快，在大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航、資源勘察等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。筆者在水利普查中參與了西昌邛海庫容測(cè)量及分析計(jì)算工作，本文主要介紹利用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量技術(shù)與HD-310全數(shù)字單頻測(cè)深儀配合使用在邛海庫容測(cè)量中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】GPS；RTK；庫容測(cè)量；應(yīng)用

一、概述

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System-GPS）是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資數(shù)百億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS以其全天候、高精度、自動(dòng)化、高效率等特點(diǎn)，成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等方面。GPS系統(tǒng)主要由空間部分（GPS衛(wèi)星星座）、地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）、用戶設(shè)備部分（GPS信號(hào)接收機(jī)）三部分組成。三者具有獨(dú)立的功能和作用，又有機(jī)地配合在一起彼此不可分割。GPS系統(tǒng)主要有定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短、測(cè)站間無需通視、可提供三維坐標(biāo)、操作簡(jiǎn)便、全天候作業(yè)、功能多，應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。

近年來，GPS定位技術(shù)在基礎(chǔ)研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、硬件與軟件開發(fā)、推廣應(yīng)用等方面獲得迅速發(fā)展，取得了令人矚目的成就，它標(biāo)志著測(cè)量工程技術(shù)的重大突破和深刻改革，對(duì)測(cè)量科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，具有劃時(shí)代的意義。

二、RTK技術(shù)的基本原理及組成

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Real Time Kinematic）測(cè)量技術(shù)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合的載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)，是測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重大突破。其基本原理是：在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備（數(shù)據(jù)鏈）實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站。在用戶站上，GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過無線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，再經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影改正，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示移動(dòng)站的三維坐標(biāo)，并提供測(cè)站點(diǎn)指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，精度可達(dá)到厘米級(jí)。

RTK測(cè)量系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、流動(dòng)站及通訊系統(tǒng)三部分組成，基準(zhǔn)站包括GPS接收機(jī)、GPS天線、無線電通訊發(fā)射設(shè)備、電源、基準(zhǔn)站控制器等，流動(dòng)站包括GPS接收機(jī)、GPS天線、電源、無線電通訊接收設(shè)備及流動(dòng)站顯示控制等。

三、RTK測(cè)量?jī)x器介紹

西昌邛海庫容測(cè)量采用中海達(dá)V30 GNSS RTK測(cè)量系統(tǒng)和HD-310全數(shù)字單頻測(cè)深儀兩種儀器組成。

中海達(dá)V30接收機(jī)：它采用天寶BD970多星多系統(tǒng)內(nèi)核，內(nèi)置收發(fā)一體電臺(tái)，基準(zhǔn)站與移動(dòng)站能完全互換，超長(zhǎng)距離外掛電臺(tái)，支持全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位。RTK定位精度為，平面：±10mm+1ppm，高程：±20mm+1ppm。初始化時(shí)間小于10秒。單個(gè)基準(zhǔn)站作業(yè)半徑可達(dá)10～20公里。

HD-310全數(shù)字單頻測(cè)深儀：工作頻率200KHz，最大發(fā)射功率500W，測(cè)深范圍：0.3m～600m，水深最大采樣速率每秒鐘30次。測(cè)深精度：±10mm+0.1%h，分辨率：1cm。

四、RTK在邛海庫容測(cè)量中的應(yīng)用

水下測(cè)量與陸上測(cè)量不同，看不見水下地形的起伏，不能像陸上測(cè)量那樣以選擇地形特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)繪。傳統(tǒng)的水庫庫容測(cè)量方式采用斷面法，計(jì)算某一高程下的斷面面積，兩個(gè)斷面之間計(jì)算體積，體積的累積就是要測(cè)的庫容，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)水庫仍采用這種方法對(duì)水庫進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器有經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、激光測(cè)距儀、全站儀等，由于水上無法建立控制點(diǎn)，船只必須在岸上測(cè)量?jī)x器的指導(dǎo)下才能獲得均勻的測(cè)點(diǎn)，當(dāng)水域面積很大、通視條件差、水庫植被較好時(shí)，采用傳統(tǒng)儀器給船只定位就非常困難，測(cè)量難度也大，同時(shí)需要布設(shè)斷面標(biāo)志、基線標(biāo)志等，花費(fèi)大量的人力、物力。

采用GPS實(shí)時(shí)載波相位差分RTK測(cè)量則可以克服以上幾個(gè)方面的困難，RTK測(cè)量可以采用斷面法也可以采用地形法測(cè)量，其工作方式為：利用庫區(qū)的平面和高程控制網(wǎng)，規(guī)劃好RTK測(cè)量基準(zhǔn)站的位置，保證測(cè)量區(qū)域或斷面測(cè)量區(qū)域與基準(zhǔn)站距離在15km以內(nèi)，在地形圖上規(guī)劃好測(cè)量斷面的位置坐標(biāo)，用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量，獲取三維坐標(biāo)。RTK測(cè)量改變了原來盲目測(cè)點(diǎn)的作業(yè)模式，大大提高水下測(cè)量的精度。

1、作業(yè)準(zhǔn)備

為保證測(cè)量工作的順利進(jìn)行，提高工作效率和測(cè)量精度，首先對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的建立進(jìn)行選點(diǎn)，點(diǎn)位的選擇應(yīng)考慮：儀器設(shè)備安裝方便，視野開闊；點(diǎn)位周圍不應(yīng)有障礙物，以減小GPS信號(hào)被遮擋或被障礙物吸收；點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線發(fā)射源（如電視臺(tái)、微波站等）其距離不小于200m，遠(yuǎn)離高壓輸電線，以避免電磁場(chǎng)對(duì)GPS信號(hào)的干擾；點(diǎn)位附近不應(yīng)有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體等。本次邛海庫容測(cè)量基站設(shè)在四周空曠，視野開闊，無其它因素影響的地方，GPS信號(hào)發(fā)射接收正常。

2、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

正確處理和轉(zhuǎn)換坐標(biāo)參數(shù)確保測(cè)量成果精度。GPS定位是在WGS-84橢球參照系下進(jìn)行的，而1954北京坐標(biāo)系是基于克拉索夫斯基橢球參照系，兩橢球之間的系統(tǒng)參數(shù)不同必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，由于地面國(guó)家控制網(wǎng)誤差的影響，各地區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)不太一致，因此測(cè)量前必須利用高等級(jí)控制點(diǎn)求得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換參數(shù)，以使差分測(cè)量成果轉(zhuǎn)換為1954 北京坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。作業(yè)開始時(shí)，在邛海附近選取3個(gè)己知坐標(biāo)控制點(diǎn)，用快速靜態(tài)方式獲得WGS-84坐標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行了校核，同時(shí)測(cè)量結(jié)束時(shí)也對(duì)其進(jìn)行校核，證明了已知點(diǎn)成果的可靠性，所求坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)準(zhǔn)確無誤。

3、水下測(cè)量

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要保證基準(zhǔn)站和移動(dòng)站各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置的正確性，特別要注意平滑精度，天線高度、無線電臺(tái)的設(shè)置，各種數(shù)據(jù)線連接是否正確，回聲測(cè)深儀要根據(jù)水域的物理特性正確設(shè)置好吃水深度、水溫、聲速及串口的波特率等參數(shù)，同時(shí)把控制點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)和坐標(biāo)以及規(guī)劃好的斷面線端點(diǎn)點(diǎn)號(hào)和坐標(biāo)值輸入移動(dòng)站的手簿和計(jì)算機(jī)中，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置好數(shù)據(jù)采集頻次。確保信息準(zhǔn)確無誤后，方可開機(jī)進(jìn)行測(cè)量。

本次邛海測(cè)量采用中海達(dá)V30型接收機(jī)進(jìn)行RTK作業(yè)，HD-301全數(shù)字單頻測(cè)深儀、便攜式計(jì)算機(jī)共同組成測(cè)量系統(tǒng)。GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星定位信息和基準(zhǔn)站傳來的信息，并將差分解算后的精確坐標(biāo)實(shí)時(shí)記錄在計(jì)算機(jī)內(nèi)。回聲測(cè)深系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)觀察水深和河底的變化情況，自動(dòng)測(cè)深并顯示數(shù)據(jù)記錄。同時(shí)，計(jì)算機(jī)通過外接導(dǎo)航顯示器實(shí)時(shí)提供導(dǎo)航信息，以保證駕駛?cè)藛T能夠在計(jì)算機(jī)顯示屏上看到航跡，并嚴(yán)格按照預(yù)定的斷面線行駛。由于回聲測(cè)深系統(tǒng)和GPS接收機(jī)都外接計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸出水深數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)，因此在設(shè)置時(shí)要注意計(jì)算機(jī)、回聲測(cè)深儀及GPS接收機(jī)通信暢通，以保證計(jì)算機(jī)在軟件的支持下能同時(shí)記錄數(shù)據(jù)使測(cè)深和導(dǎo)航同步進(jìn)行。

4、數(shù)據(jù)處理

測(cè)量結(jié)束后，對(duì)觀測(cè)采集的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行水位改正、聲速改正和動(dòng)態(tài)吃水改正，以滿足成圖的要求。通過專用軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、修改、矢量化，轉(zhuǎn)換成分析計(jì)算的數(shù)據(jù)格式，如AutoCAD（*.dxf）格式、Excel（*.csv）格式、CASS（*.dat）格式或自定義格式等，以方面后期的分析、計(jì)算、繪圖等工作。

5、測(cè)量中的注意事項(xiàng)

第一，在測(cè)量過程中，移動(dòng)站和基準(zhǔn)站應(yīng)跟蹤到相同的衛(wèi)星必須4顆以上，移動(dòng)站要保持RTK的固定解，不能出現(xiàn)浮動(dòng)；要注意測(cè)量時(shí)間段的選擇，要綜合考慮星歷、天氣等因素對(duì)RTK作業(yè)的影響，精度過低無法工作。第二，要注意基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間的通訊距離，為了避免不必要的頻繁搬遷基站，應(yīng)加大基站電臺(tái)發(fā)射功率或升高電臺(tái)天線的高度。第三，在RTK測(cè)量過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在某個(gè)區(qū)域或某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，解算時(shí)間較長(zhǎng)甚至無法獲取固定解的情況或數(shù)據(jù)鏈不穩(wěn)定現(xiàn)象。原因可能是周圍存在建筑物的遮擋，或外界無線電的干擾，遇此需要重新選點(diǎn)，避開其因素的影響。筆者曾在離高壓輸電線不遠(yuǎn)的地方建立基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的數(shù)據(jù)鏈，始終出現(xiàn)RTK信號(hào)無法固定的情況，避開高壓線一定距離后，問題解決，RTK通訊正常。第四，應(yīng)注意基準(zhǔn)和移動(dòng)站的電源，出現(xiàn)指示燈慢速閃爍時(shí)就更換電源，保證電源電量。

五、庫容計(jì)算與模型的選取

目前，水庫庫容的計(jì)算方法多種多樣，如斷面法、等高線容積法、方格網(wǎng)法、三角網(wǎng)格法等，各種方法計(jì)算原理有一定的差異和適用條件，各有優(yōu)缺點(diǎn)。斷面法：是一種常規(guī)的計(jì)算方法，應(yīng)用比較廣泛，但有一定的局限性，主要適用于典型的河槽式河流。等高線容積法：該計(jì)算模型建立在把水體按不同高程面微分成n層梯形體，整體庫容由n層梯形體體積積分求得。方格網(wǎng)法：是利用巳建立的庫區(qū)數(shù)字高程模型，將水體微分成若干個(gè)正方體，通過對(duì)每個(gè)正方體的體積空間積分，即可求得整個(gè)水庫庫容。

本次邛海庫容計(jì)算方法采用三角網(wǎng)格法計(jì)算。采用DTM法（數(shù)字地面模型），根據(jù)實(shí)際庫底特征將水體微分成n個(gè)三棱錐體，根據(jù)實(shí)地測(cè)定的點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z）和水面高程，通過生成三角網(wǎng)來計(jì)算每一個(gè)三棱錐的方量，通過對(duì)每個(gè)柱體的體積求和，即求得水庫庫容。

六、結(jié)束語

GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量技術(shù)在各領(lǐng)域運(yùn)用越來越廣泛，在西昌邛海庫容測(cè)量中，測(cè)量精度、測(cè)量效率與常規(guī)方法相比，得到了大幅度的提高，減輕了工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了測(cè)量成本。采用RTK技術(shù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)了水庫測(cè)量的自動(dòng)化、數(shù)字化。使以前受測(cè)量?jī)x器限制、環(huán)境因素影響等復(fù)雜的測(cè)量工作變得簡(jiǎn)單化，對(duì)水下測(cè)量來說是革命性的變化，也是一次飛躍。