GPS-RTK技術在河道測量中的應用

侯 煜，廖 月，閭耀輝

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321）

1 概述

隨著社會經濟的不斷發(fā)展，河道開發(fā)及利用的多元化，河道地形測量在河道建設前期設計、施工及后期的養(yǎng)護方面就愈加顯得重要。河道地形測量提供的斷面圖及水下地形圖不僅可以作為水利建設部門河道設計及施工的依據(jù)，還可以作為水利管理部門日常監(jiān)測河道變化的重要資料來源，可以有效監(jiān)測河床處于淤積、沖刷還是正常狀態(tài)。因此，正確的斷面圖及水下地形圖就顯得十分重要，而傳統(tǒng)的河道測量技術無法應對愈加復雜的河道環(huán)境，此時依靠高精度GPS定位及回聲測深技術的GPS-RTK技術應運而生，符合了社會的發(fā)展，從而廣泛運用于河道測量之中。

2 GPS-RTK技術特點

2.1 GPS-RTK的組成

RTK系統(tǒng)主要由一個基準站、移動站及無線電通訊系統(tǒng)組成?；鶞收景℅PS接收機及接收天線、無線電數(shù)據(jù)鏈電臺及發(fā)射天線、直流電源；流動站包括GPS接收機及接收天線、無線電數(shù)據(jù)鏈接收機及天線、電子控制手簿等部分[1]。

2.2 GPS-RTK的定位原理

RTK（即Real-Time Kinematic）技術的全稱是實時動態(tài)載波相位差分技術，與GPS技術相結合可以為測點提供準確的三維坐標，并達到厘米級精度[2]。在GPS-RTK的工作中，基準站和流動站的GPS接收機同時接收GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)。基準站將自身的一些基本信息（包括基準站坐標及天線高）和載波觀測信號通過數(shù)據(jù)鏈傳遞給移動站；移動站在完成初始設置后，把接收到的基準站的信號與自身的載波觀測信號傳遞給控制器進行實時差分處理，在進行坐標及高程參數(shù)轉換之后，就可以得到移動站的三維坐標（工作原理圖詳見圖1）。

圖1 GPS-RTK工作原理圖

2.3 GPS-RTK的技術優(yōu)點

GPS-RTK作為新出現(xiàn)的測量技術，與傳統(tǒng)的測量方法相比具有無可比擬的優(yōu)點：

（1）定位準確，數(shù)據(jù)安全可靠。一般而言，只要能夠達到GPS-RTK的技術要求，在規(guī)定的作業(yè)半徑內，RTK的平面和高程精度就能達到厘米級。

（2）降低了作業(yè)條件的要求，適應各種復雜的地形及氣候。GPS-RTK只需要“電磁波通視”即可觀測，無需2個測站之間達到光學通視，天氣及能見度的變化對觀測的結果不會有較大的影響；同時各站的觀測值相互獨立，誤差不會累積，有效降低了在復雜地形環(huán)境下測量結果受到誤差累積的影響。

（3）可全天候作業(yè)，且大大提高了野外工作效率。只要在測點能夠接收到GPS衛(wèi)星信號，就可以持續(xù)測量，不受環(huán)境的影響；GPS-RTK技術在一般的環(huán)境下，幾秒鐘就可以得到坐標數(shù)據(jù)，大大減少了傳統(tǒng)測量所需要的控制點數(shù)量及移站次數(shù)，降低了測量強度，提高了工作效率。

（4）操作簡便，自動化、集成化程度高。GPSRTK技術既可以在室內，也可以在野外進行測量，只需要將儀器整平架設好，就可以利用軟件控制系統(tǒng)自動進行測繪，減少了可能存在的人為誤差，提高了作業(yè)的精度。

3 在河道斷面測量中的應用

3.1 GPS-RTK儀器設置

3.1.1 基準站設置

由于GPS-RTK作業(yè)半徑（電臺發(fā)射距離詳見式（1））在10 km范圍內才能保證良好的測量精度，根據(jù)需要選定一次的架站地點就能輻射整個測區(qū)。同時由于GPS-RTK信號容易受到建筑物的阻擋及電磁輻射的干擾，所以對于架站地點也有一定要求：包括位置要空曠，遠離高大的建筑物；避開一些信號塔等輻射較強的區(qū)域，保證測量時信號穩(wěn)定，才能得到正確的測量數(shù)據(jù)。在選定好位置后，開始架設基準站，安置好GPS接收機后，配置正確的參數(shù)。由于基準站需要通過數(shù)據(jù)鏈來向流動站進行實時數(shù)據(jù)傳輸，對傳輸數(shù)據(jù)進行正確編碼和同步檢錯，所以儀器都需要設置為9600的波特率，來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩ā?/p>

式中：

H1—電臺天線高；

H2—流動站天線高。

3.1.2 移動站設置

在流動站上安置GPS接收機進入運行狀態(tài)后，會收到來自基準站電臺發(fā)射的信號，這時移動站就可以進入正常的測量狀態(tài)。打開控制手簿，新建工程，對所有工程信息進行如實填寫。

（1）坐標系統(tǒng)及高程系統(tǒng)的確定

結合已知點的BJ54坐標與現(xiàn)場GPS采集的WGS-84經緯度坐標，在控制手簿上進行坐標轉換參數(shù)計算，利用3個以上的控制點計算即可得出布爾莎七參數(shù)。再與已知點的坐標進行比對，如符合精度要求，輸入?yún)?shù)后，GPS-RTK控制器即可測出定位點的獨立坐標；如不符合，則需重新計算。

（2）中央子午線的確定

依據(jù)建立獨立坐標系統(tǒng)的要求，選用任意高斯三度帶投影建立坐標，中央子午線經度選擇為120°。

（3）流動站的測量

待坐標系統(tǒng)與中央子午線都確定，移動站定位后是固定解，即可對測區(qū)進行局部和河道斷面等測量工作。

3.2 實際運用

河道斷面測量是河道測量的主要內容，包括橫斷面和縱斷面測量。主要進行的就是橫斷面測量，橫斷面是指河槽中垂直于水流的斷面稱為該處河流的橫斷面。它的下限為河床，上限為水面，兩側為護坡和堤防[3]。在外業(yè)測量中將岸上及水下部分分開進行測量，在內業(yè)處理時將兩部分數(shù)據(jù)合并處理，就可以得到完整的橫斷面圖及水下地形圖，下面以南方CASS處理軟件為例。

3.2.1 岸上測量

在基準站和流動站都設置完成后，即可進行岸上的斷面樁測量。一般需要兩人，一人操作移動站，一人操作控制手簿。在放置移動站時，要保證在水準氣泡居中及測桿對中情況下的幾秒鐘時間完成測量，獲得該點的正確坐標，保存到手簿中。依此類推，即可得到岸上斷面樁的坐標信息。

3.2.2 水下地形測量

在進行水下地形測量時，在完成基準站和移動站設置后，還要配合測深儀使用，移動站GPS天線與測深儀相連接。即GPS-RTK技術獲得測點的坐標，測深儀獲得測點的水深數(shù)據(jù)，通過南方CASS軟件處理即可同時記錄測點的坐標及水深數(shù)據(jù)，就可以獲得較為準確的河道數(shù)據(jù)。

在GPS天線與測深儀相連接之后，需對測深儀進行參數(shù)設置，包括GPS天線高設置、測量參數(shù)設置、斷面線導入及校正參數(shù)等。在測深儀設置完畢，GPS對測量船進行定位后，可以先進行試測，隨機選取幾個點用測深儀進行測量，同時用傳統(tǒng)的測桿進行測量，相互比較。如若誤差不大，就可以繼續(xù)測量；若誤差較大，就需要重新校正測深儀參數(shù)。試測合格后就可以按著GPS的指導沿著斷面線進行測量，高程點按照間隔1 m進行采集。但由于測深儀安裝在船只上，易受到風浪和水流的作用，船只很難完全按照設計斷面線筆直行走，實際上船只的航跡分布在斷面線的兩側。當偏差不大且在規(guī)定范圍內時，可選用這些測點作為數(shù)據(jù)；如果航跡偏差過大，則要重新測量。對于水面較寬水深較深的河流使用測深儀較為方便，而對于水深較淺及靠近岸邊的河段，使用測桿、測繩及測錘等方法可以更為安全便捷地獲得水深數(shù)據(jù)，再利用GPS-RTK技術即可獲得測點的坐標信息，最終即可獲得測點的水底高程[4]。綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)結合使用測深儀、測桿、測繩及測錘等測深工具，能夠適應各種河道環(huán)境進行測深，再加上同樣適應力強的GPS-RTK技術，就可以較為容易地測量各種復雜環(huán)境下的河道。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理

在完成外業(yè)測量后，將岸上數(shù)據(jù)導入水下數(shù)據(jù)中，整個數(shù)據(jù)才算完整。將測量數(shù)據(jù)導入南方CASS水深處理軟件中，每隔5 m取樣，調整異常點后生成HTT格式文件。再通過格式轉換將數(shù)據(jù)從*.HTT格式轉換成*.CASS格式，此格式就可以被南方CASS7.1軟件使用。

（1）斷面圖繪制

斷面圖繪制步驟：①將*.CASS格式的數(shù)據(jù)導入南方CASS7.1地形圖繪圖軟件中；②用復合線定河道中心線，在工具欄分別選中：工程應用——由縱斷面生成——新建——根據(jù)實際情況修改間距和左右距離，形成新的里程文件；③選中河道中心線，在工具欄中選擇：工程應用——由縱斷面生成，將中心線插值間距改成10 m，生成里程文件；④在工具欄中選擇：工程應用——斷面法土方計算——任意斷面——選保存的里程文件，將比例選為橫向1∶1000、縱向1∶200，以河長為橫坐標，高程為縱坐標即可畫出斷面圖。

（2）水下地形圖繪制

先將*.CASS格式的數(shù)據(jù)導入南方CASS7.1地形圖繪圖軟件中，可以根據(jù)圖面高程點建立DTM，也可以通過圖面數(shù)據(jù)建立DTM；再繪制等高線，將外業(yè)測量不需要參加高程建模的三角網(wǎng)刪除；然后根據(jù)實際地形情況手動對生成的等高線進行修改，保證與實際地形保持一致；最后畫多條直線，沿直線高注記，將等高線標記清楚，同時再標注一些必要的工程信息，就可以得到完整的水下地形圖。

4 質量影響因素及精度控制

GPS-RTK技術在河道測量中有許多優(yōu)點，但也存在不足之處：例如受電離層影響較大，衛(wèi)星信號易受影響，設備數(shù)據(jù)傳輸中存在誤差，精度和穩(wěn)定性欠缺等問題，對測量結果有一定影響。

（1）受電離層影響較大

由于白天中午時段受到很大的電離層干擾，共用衛(wèi)星數(shù)目減少，使得移動站無法得到RTK固定解。為了減少電離層對測量工作的影響，應避開中午時段進行測量。

（2）衛(wèi)星信號易受影響

隨著通信技術的快速發(fā)展，大功率發(fā)射塔較多，輻射較強，GPS信號易受到干擾，造成某些時刻測量區(qū)域無法被GPS衛(wèi)星有效覆蓋，而GPSRTK技術需要有4顆GPS衛(wèi)星才能準確定位，這就造成了測量精度受到了影響；流動站在有高大建筑物及樹木遮擋的區(qū)域進行工作，衛(wèi)星信號易被遮擋，流動站無法持續(xù)接收到信號，這就限制了測量工作的開展。

（3）設備數(shù)據(jù)傳輸中存在誤差

數(shù)據(jù)在傳輸過程中受到障礙物的干擾，導致傳輸信號減弱，在很大程度上影響外業(yè)測量的精度和半徑。為了實現(xiàn)較強的信號，要將基準站架在空曠及地勢較高的地區(qū)。

（4）精度和穩(wěn)定性問題

GPS技術的運用存在大地高程額轉換和海拔高程精度不均勻的問題，而RTK的作業(yè)模式也會因為地區(qū)差異存在一定誤差，特別是在一些山區(qū)、丘陵等地帶。為了解決GPS-RTK技術精度和穩(wěn)定性問題，可以通過布置多余控制點的方法來進行質量控制。

5 結語

GPS-RTK技術是目前測量精度最好、最方便快捷的河道測量技術之一，不但測量精度較高，還能快速獲得測量點的三維坐標。GPS-RTK技術的出現(xiàn)，大大降低了測量作業(yè)的工作強度，提高了工作效率，這些優(yōu)點使得GPS-RTK技術在測量中的使用越來越廣泛。雖然在實際的河道測量中，仍然存在GPS信號被干擾、精度及穩(wěn)定性欠缺等問題，但隨著各類新GPS-RTK測量儀器的出現(xiàn)，精度及穩(wěn)定性的問題得到一定程度的解決；同時，隨著中國的北斗導航系統(tǒng)的商業(yè)化開發(fā)，可以為測量工作提供定位服務，GPS-RTK測量可以逐漸擺脫受限于GPS衛(wèi)星的現(xiàn)狀?？傊?，GPS-RTK技術的日趨完善，使其在測量工作特別是河道測量中的應用會越來越廣泛，所發(fā)揮的作用也將越來越重要。

參考文獻：

[1]張述清，楊潤書，朱明.GPS-RTK技術在地籍測量中的應用研究[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2007，32（2）:4-6.

[2]朱云峰，楊福芹.全站儀與GPS在河道斷面測量中的應用 [J].中國西部科技，2010，09（12）:21-23.

[3]陳軍，陳永良，胡曉芙.淺談河道斷面測量及斷面圖的繪制[J].測繪與空間地理信息，2013，36（6）:211-222.

[4]惠武權.GPS-RTK技術在河道測量中的應用[J].中國水運，2014，14（1）:318-319.