水深測(cè)量中RTK高精度定位技術(shù)的應(yīng)用探討

劉勇鋒

摘要：近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，RTK技術(shù)也在海洋測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用，使用RTK技術(shù)進(jìn)行海上測(cè)量，不僅在很大程度上提高了測(cè)量人員的工作效率，而且也提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。RTK技術(shù)主要是以水上導(dǎo)航測(cè)量軟件為支撐，進(jìn)行水深測(cè)量，作為一項(xiàng)新型技術(shù)，在水深測(cè)量的過程中得到非常重要的應(yīng)用，隨著該項(xiàng)技術(shù)的日臻完善，目前已經(jīng)成為水深測(cè)量過程中的主要測(cè)量技術(shù)。本文主要介紹了RTK技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)RTK技術(shù)在水深測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了有效的分析。

關(guān)鍵詞：RTK技術(shù)；水深測(cè)量；分析

引言

傳統(tǒng)的水深測(cè)量需要進(jìn)行驗(yàn)潮，將采集的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行水位改正，歸算到所需要的當(dāng)?shù)乩碚摶鶞?zhǔn)面，再通過時(shí)間將平面位置和水底高程匹配，獲得測(cè)區(qū)三維數(shù)據(jù)。這在海況較為理想且測(cè)量區(qū)域較小的情況下，可以得到準(zhǔn)確的測(cè)量成果。但是在測(cè)量區(qū)域大，海上風(fēng)浪影響較大的情況下，驗(yàn)潮的精度不高且工作量非常巨大，這會(huì)直接影響水深測(cè)量的精度。隨著全球定位系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，特別是 RTK 技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用 RTK 無驗(yàn)潮方式進(jìn)行水深測(cè)量將逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水深測(cè)量方法，采用 RTK 技術(shù)，就可以不需要驗(yàn)潮數(shù)據(jù)，直接可以獲得所需要的三維數(shù)據(jù)，這樣不僅減少了外業(yè)測(cè)量人員的工作量，還有效提高了工作效率，從而帶來了更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.RTK技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

RTK-GPS定位技術(shù)（Real-time kinematic，簡(jiǎn)稱RTK）是通過載波相位觀測(cè)的數(shù)值為參照依據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS定位技術(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的一種過程。在RTK作業(yè)的過程中，基準(zhǔn)站是在數(shù)據(jù)鏈的作用下對(duì)其觀測(cè)值和觀測(cè)站坐標(biāo)信息同時(shí)送到流動(dòng)站。在整個(gè)測(cè)量的過程中，流動(dòng)站要由數(shù)據(jù)鏈接受來自基準(zhǔn)站傳送的數(shù)據(jù)，并且對(duì)GPS觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理，并且還要通過輸入相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、以及投影參數(shù)，實(shí)時(shí)得到流動(dòng)站的三維坐標(biāo)和精度。

1.1RTK技術(shù)提高工作效率

RTK定位技術(shù)能夠應(yīng)用在陸地和采樣中的測(cè)量工作，并且是一種重要的測(cè)量技術(shù)，同時(shí)，在水利工程和海洋工程中也得到了重要的應(yīng)用，并且隨著RTK-GPS技術(shù)的不斷成熟，使得對(duì)水下地形的測(cè)量變得更為精確。過去的水深的測(cè)量通常都是使用經(jīng)緯儀角的交會(huì)、紅外測(cè)距儀器離交會(huì)或者應(yīng)答儀器等，利用天線定位設(shè)備進(jìn)行定位，由于這種儀器在測(cè)量時(shí)，對(duì)氣象的要求比較高，所以測(cè)量工作受到氣象的約束，使得平面精度無法保證，加大了工作的難度，外業(yè)的測(cè)量人員作業(yè)條件比較艱苦，而且測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。而使用GPS技術(shù)之后，這些影響水上測(cè)量工作的問題會(huì)得到有效的解決。在GPS技術(shù)不斷完善的基礎(chǔ)上，通過與RTK技術(shù)的結(jié)合，使得水下地形測(cè)量工作的變得高效，并且能夠有效的降低了測(cè)量工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，自動(dòng)化水平不斷提高，節(jié)省了工作時(shí)間、而且測(cè)量精度高，測(cè)量工作效率高，進(jìn)而提高工程的經(jīng)濟(jì)的效益。

1.2RTK技術(shù)與多波束探測(cè)技術(shù)

在現(xiàn)階段水深測(cè)量技術(shù)中，多波束技術(shù)與 RTK-GPS 技術(shù)是最常見的兩種，其中，多波束技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水聲與傳感器集成完成水深測(cè)量，而 RTK 則能測(cè)定三維坐標(biāo)及完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。多波束探測(cè)需要具有綜合性和復(fù)雜性，除了具備采集、傳感等功能，還應(yīng)該具備聲學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理功能。RTK-GPS 技術(shù)是水深測(cè)量當(dāng)中另一項(xiàng)重要技術(shù)，該技術(shù)能夠通過三維的時(shí)間、空間信息，來形成水深探測(cè)的 tcs 坐標(biāo)系，再通過坐標(biāo)的方法將計(jì)算所得的潮位通過 1PPS 時(shí)間脈沖進(jìn)行輸出，在與傳感器進(jìn)行協(xié)同工作時(shí)，RTK 的實(shí)時(shí)同步水深數(shù)據(jù)可以消除時(shí)間偏差，提高測(cè)量精度。

2.RTK 水深測(cè)量的作業(yè)步驟

外業(yè)測(cè)量共分3 個(gè)步驟：測(cè)前準(zhǔn)備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和測(cè)量數(shù)據(jù)后處理。

2.1測(cè)前準(zhǔn)備

求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，收集測(cè)區(qū)周邊的控制點(diǎn)信息，要求控制區(qū)域能有效覆蓋測(cè)區(qū)，根據(jù)收集的控制點(diǎn)的 WGS-84 坐標(biāo)和當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，求解參數(shù)。新建作業(yè)，新建的任務(wù)里設(shè)置好橢球、中央子午線、投影參數(shù)、圖形轉(zhuǎn)換參數(shù)及定義測(cè)量區(qū)域。調(diào)入計(jì)劃測(cè)線，將事前設(shè)計(jì)好的測(cè)線導(dǎo)入測(cè)深儀主機(jī)中。

2.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

將換能器垂直水面固定在船舷邊，精確量取換能器吃水深度以及水面至天線的距離，輸入到儀器中。然后將 GPS 接收機(jī)、數(shù)字化測(cè)深儀和換能器等連接好后，打開電源。測(cè)深儀實(shí)時(shí)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，顯示器中一般設(shè)置每行走5m 記錄 1 點(diǎn)，其他設(shè)置，如定位儀和測(cè)深儀端口、記錄限制（選擇 RTK 固定解）、換能器吃水深度、天線偏差改正等設(shè)置好以后，就可以點(diǎn)擊測(cè)深開始測(cè)量。記錄數(shù)據(jù)前，用測(cè)深桿測(cè)得的水深數(shù)據(jù)與測(cè)深儀測(cè)得的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，較差在限差范圍內(nèi)即可指揮測(cè)量船開往測(cè)區(qū)進(jìn)行測(cè)量。

2.3 測(cè)量數(shù)據(jù)后處理

測(cè)量數(shù)據(jù)后處理是指使用測(cè)深儀配套的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，數(shù)據(jù)處理流程如圖 1 所示。

3影響水深測(cè)量精度的因素及相應(yīng)對(duì)策

RTK高程的可靠性、同步時(shí)差、采樣的速率及船體的擺動(dòng)等會(huì)使使用無驗(yàn)潮方式測(cè)量水深的準(zhǔn)確度產(chǎn)生誤差。這些因素造成的誤差大于RTK定位誤差。減少這些因素影響會(huì)大大提高測(cè)量精度。

3.1船體搖擺姿態(tài)的修正

電磁式姿態(tài)可以將船的姿態(tài)進(jìn)行修正，電磁式姿態(tài)可以修正位置和高程。船的航向、縱擺、橫擺可以通過姿態(tài)儀輸出，然后在經(jīng)過專用測(cè)量軟件進(jìn)行修正。在數(shù)據(jù)后處理時(shí)可以輸入這些改正數(shù)據(jù)，提高水深數(shù)據(jù)的處理精度。

3.2 采樣間隔和同步時(shí)差造成的誤差

RTK 輸出率影響到數(shù)據(jù)采集的精度和密度，而測(cè)深的輸出率也不盡相同，數(shù)據(jù)輸出延遲也各有不同，所以 RTK 的定位時(shí)間和水深測(cè)量時(shí)間差造成誤差，該項(xiàng)誤差在數(shù)據(jù)后處理時(shí)，可在軟件中的延遲校正中加以改正，延遲改正量可在實(shí)際外業(yè)測(cè)量中選擇有坡度的地形往返測(cè)量計(jì)算得出。

3.3 RTK高程可靠性的問題

RTK高程在測(cè)量水深方面的可信度成為人們注意的焦點(diǎn)。實(shí)踐出真知，通過將RTK高程測(cè)量的水位與人工觀測(cè)的水位進(jìn)行比較，其誤差很小，其可靠性通過實(shí)踐結(jié)果可以看出。為了確保作業(yè)無誤，可以采集的數(shù)據(jù)中提取高程信息繪制水位曲線。根據(jù)曲線的元化程度來分析RTK高還曾有沒有產(chǎn)生個(gè)別跳點(diǎn)，然后使用原話修正的方法來改善個(gè)別錯(cuò)誤的點(diǎn)。

4、無驗(yàn)潮水深測(cè)量數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證無驗(yàn)潮水深測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，以某水道水深測(cè)量為例，在利用 RTK 進(jìn)行無驗(yàn)潮模式水深測(cè)量的同時(shí)，還按常規(guī)的有驗(yàn)潮站的模式進(jìn)行潮位數(shù)據(jù)采集。由于水道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在岸邊設(shè)置了若干個(gè)驗(yàn)潮站，在當(dāng)天距測(cè)量區(qū)域最近的驗(yàn)潮站進(jìn)行潮位數(shù)據(jù)采集，每 10min 觀測(cè) 1 次，測(cè)量時(shí)間與水深測(cè)量時(shí)間同步，驗(yàn)潮數(shù)據(jù)（包含驗(yàn)潮站編號(hào)和高程、水面高程及測(cè)量時(shí)間等）按相關(guān)規(guī)范要求記錄在手簿上。水道測(cè)量區(qū)域內(nèi)的海面較為平靜，利于水深測(cè)量的開展，潮位改正采用單站驗(yàn)潮水位改正的方法。為了比較無驗(yàn)潮方式與人工驗(yàn)潮方式處理得到的數(shù)據(jù)的誤差，將 2 種方法處理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果為：重合的點(diǎn)數(shù)為 3 671 個(gè)，其中高程互差≤0.2m 的點(diǎn)數(shù)3347個(gè)，占總點(diǎn)數(shù)的 91.2%；高程互差≤0.3m 的點(diǎn)數(shù)有 3671個(gè)，達(dá)到100%，高程較差的平均值為 5cm，符合《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS 131—2012）的規(guī)定。

結(jié)束語

使用 RTK 技術(shù)進(jìn)行水深測(cè)量，可以同步進(jìn)行水位數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)無驗(yàn)潮方式水深測(cè)量，測(cè)量精度可靠，可用于實(shí)際工作當(dāng)中。使用 RTK 技術(shù)進(jìn)行水深測(cè)量，不進(jìn)減少的測(cè)量工作量和人員配備，還節(jié)省了成本，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，是一種值得廣泛推廣的測(cè)量技術(shù)。綜上所述，為了避免受到自然條件影響所產(chǎn)生的測(cè)量誤差，現(xiàn)階段在進(jìn)行水深測(cè)量技術(shù)的選用時(shí)，工作人員往往會(huì)選擇多波束與 RTK 三維技術(shù)相結(jié)合的方式，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。經(jīng)過測(cè)量實(shí)踐可以看出，相比單獨(dú)的多波束技術(shù)測(cè)量，二者結(jié)合的測(cè)量方式穩(wěn)定性更高。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳希. RTK-GPS技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].中國水運(yùn)（下半月刊），2016，01.

[2]鄧安達(dá)，徐小峰. 多波束測(cè)深系統(tǒng)與GPS-RTK 技術(shù)集成的工作原理及優(yōu)勢(shì)[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2017，（16）：210-211.

[3]王彤陽. 水下工程中 GPS-RTK 技術(shù)的應(yīng)用[J]. 建筑知識(shí)，2017，05