GPS RTK結(jié)合數(shù)字測(cè)深儀測(cè)繪水下地形的應(yīng)用

鄭甲子

[摘 要]本文簡(jiǎn)要介紹了GPS系統(tǒng)的組成和定位原理，詳細(xì)闡述了RTK結(jié)合數(shù)字測(cè)深儀的測(cè)深系統(tǒng)在測(cè)繪水下地形圖中的先進(jìn)性。針對(duì)RTK在結(jié)合數(shù)字測(cè)深儀測(cè)繪水下地形圖中的應(yīng)用和探討，證明了RTK在測(cè)量工程中的可靠性和先進(jìn)性。

[關(guān)鍵詞]GPS RTK；水下地形測(cè)繪；數(shù)字測(cè)深儀

中圖分類號(hào)：TV221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）11-0394-02

引言

目前，GPS精密定位技術(shù)己經(jīng)廣泛地滲透到經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域，尤其對(duì)經(jīng)典測(cè)量學(xué)的各個(gè)方面產(chǎn)生了極其深刻的影響。本文對(duì)GPS在測(cè)量中的新技術(shù)RTK測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的介紹，并進(jìn)一步分析了RTK測(cè)量系統(tǒng)在結(jié)合數(shù)字測(cè)深儀測(cè)繪水下地形圖具體應(yīng)用。

1 RTK測(cè)量的基本原理

高精度的GPS測(cè)量必須采用載波相位觀測(cè)值，而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK（real time kinematic）定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，是GPS測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重大技術(shù)突破，其關(guān)鍵技術(shù)是初始整周模糊度的快速解算，數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)母呖煽啃院蛷?qiáng)干擾性以及具有實(shí)時(shí)高效不受通視條件限制等優(yōu)點(diǎn)。RTK測(cè)量技術(shù)是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

2 RTK結(jié)合數(shù)字測(cè)深儀測(cè)繪水下地形圖

過(guò)去水下地形圖的測(cè)繪多采用測(cè)深桿、測(cè)深錘、經(jīng)緯儀、回聲測(cè)深儀和機(jī)載激光測(cè)深等手段，這些方法工作人員工作強(qiáng)度大、效益低、速度慢、精度難以保證。GPS RTK與數(shù)字測(cè)深技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)時(shí)獲取水下三維信息和實(shí)現(xiàn)水下地形測(cè)繪自動(dòng)化提供了條件。這一集成技術(shù)，在跨越河流的橋梁或過(guò)江隧道的勘測(cè)中已有很高的實(shí)用性。

2.1 全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)由精確定位導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制集成系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。精確定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要是準(zhǔn)確提供水下地形點(diǎn)的平面坐標(biāo)和數(shù)字測(cè)深儀探頭處的高程；數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)主要是提供數(shù)字測(cè)深儀探頭至河底的深度；計(jì)算機(jī)控制集成系統(tǒng)主要進(jìn)行航線設(shè)計(jì)和導(dǎo)航，對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)和數(shù)字測(cè)深儀測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、整合、取舍、計(jì)算、存儲(chǔ)， 將測(cè)量點(diǎn)展繪于地形圖上，生成數(shù)字地形圖等。

在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不到一秒鐘。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開(kāi)機(jī)，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果?；芈暅y(cè)深儀是把打在記錄紙上的模擬信號(hào)，用數(shù)字化圖像的方法記錄、顯示、存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里，事后可以隨時(shí)回放和打印，這也為測(cè)深儀與GPS的接口連接創(chuàng)造了條件。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是將數(shù)字測(cè)深儀與GPS定位系統(tǒng)連接起來(lái)并組成統(tǒng)一整體的載體，它將GPS的定位數(shù)據(jù)與測(cè)深儀的測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、取舍、計(jì)算、存儲(chǔ)，將所測(cè)的數(shù)據(jù)輸入地形圖成圖軟件生成數(shù)字水下地形圖。

2.2 實(shí)例分析

黃岡市水文局采用中海達(dá)公司的兩臺(tái)GPS RTK（H32）和一臺(tái)HD-380全數(shù)字雙變頻數(shù)字測(cè)深儀測(cè)繪一河流入長(zhǎng)江口處（大概九公里左右）的水下地形圖。

具體步驟：（1）在測(cè)區(qū)中央的河邊選一視野開(kāi)闊、地勢(shì)較高的地方架設(shè)基準(zhǔn)站，設(shè)置完基準(zhǔn)站后在用移動(dòng)站（臺(tái)）去兩個(gè)已知控制點(diǎn)（甲方單位提供）上采集坐標(biāo)，利用手簿軟件現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算WGS84到工程坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并啟用轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了確保轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性我們現(xiàn)場(chǎng)附和了第二個(gè)控制點(diǎn)，水平和高程誤差都是毫米級(jí)，又去了第三個(gè)控制點(diǎn)上進(jìn)行了附和，水平誤差小于1cm，高程誤差為2cm多一點(diǎn)。這就驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換參數(shù)的可靠性和精確性。（2）按要求在機(jī)動(dòng)船上安裝GPS和數(shù)字測(cè)深儀，特別是換能器要綁結(jié)實(shí)穩(wěn)固，各條線的插口要接對(duì)接牢，并量取GPS的天線高和換能器至水面的距離（吃水深）。（3）連接完畢后，連接上電源（直流電瓶），打開(kāi)主機(jī)背面的開(kāi)關(guān)，機(jī)子啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入測(cè)深軟件界面。在開(kāi)始測(cè)量前要對(duì)測(cè)深軟件進(jìn)行設(shè)置，包括坐標(biāo)系統(tǒng)、坐標(biāo)投影方法，坐標(biāo)變換參數(shù)、測(cè)區(qū)范圍、數(shù)據(jù)記錄間隔、格式、端口分配、波特率、吃水深和GPS天線偏差改正等設(shè)置。（4）根據(jù)主機(jī)界面上顯示的測(cè)船所在的位置、航向指揮測(cè)船沿著計(jì)劃航線航行并采集記錄測(cè)點(diǎn)的平面、高程、水深數(shù)據(jù)。最后，對(duì)采集的水下地形點(diǎn)的平面、高程數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查校核后，將其錄入到HD海洋成圖軟件進(jìn)行處理，即可得到高精度的數(shù)字地形圖和斷面圖。

整個(gè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集只花了兩個(gè)半小時(shí)不到，速度非常快，為了驗(yàn)證測(cè)深儀的數(shù)據(jù)精度可靠性，在作業(yè)前，我們?cè)跍\水處分別用花桿的量測(cè)深度和測(cè)深儀的測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，在此摘錄部分比較結(jié)果，見(jiàn)表1。

根據(jù)RTK的使用實(shí)踐和表2-1的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，利用這套系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量，其結(jié)果是準(zhǔn)確、可靠的。

2.3 全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）精度高； （2）自動(dòng)化程度高；（3）作用距離遠(yuǎn)；（4）可以實(shí)時(shí)地取得測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和水底高程；（5）可以實(shí)時(shí)地在計(jì)算機(jī)圖形上獲得航行的方向、航線的分布、測(cè)點(diǎn)的密度等；（6）受自然條件影響小，全天候作業(yè)；（7）勞動(dòng)強(qiáng)度小；（8）作業(yè)效率高；（9）返工率??；（10）出錯(cuò)率低。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)GPS在測(cè)量中的新技術(shù)RTK測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的介紹，利用RTK技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量，在大面積開(kāi)闊地區(qū)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，使得水下地形測(cè)量這項(xiàng)工程變得簡(jiǎn)單、方便、快捷、輕松、高效、經(jīng)濟(jì)，可以全天候?qū)嵤y(cè)量工作，同時(shí)也提高了測(cè)量精度。但在障礙物遮擋嚴(yán)重的地區(qū)如部分陡峭峽谷，河道等區(qū)域不能完全取代傳統(tǒng)測(cè)量方法，必須結(jié)合交會(huì)法或極坐標(biāo)法才能取得更理想的效果。隨著RTK技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用前景將更加廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用.武漢大學(xué)出版社.2003.

[2] 周忠謨，易杰軍.GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用.測(cè)繪出版社.1992.

[3] 梁開(kāi)龍.水下地形測(cè)量.測(cè)繪出版社.1995.

[4] 周軍根.水下地形測(cè)量技術(shù)探討.測(cè)繪出版社.2003.

[5] 謝世杰，吳學(xué)樣等.RTK特點(diǎn)與誤差分析.側(cè)繪工程.2002.