利用GNSS-RTK對(duì)舟山桃花島灘涂高精度測(cè)量應(yīng)用

張煒，鄭紅

摘 要：GNSS-RTK技術(shù)已經(jīng)融入海洋測(cè)繪體系中，成為海岸地形測(cè)量的常規(guī)技術(shù)，其測(cè)量精度高，操作簡(jiǎn)單，便捷實(shí)用。本文主要內(nèi)容是利用GNSS-RTK技術(shù)測(cè)量舟山桃花島塔灣金沙景區(qū)沙灘灘面寬度，長(zhǎng)度和潮間帶坡度計(jì)算以及坡面圖的繪制，同時(shí)在GNSS-RTK測(cè)量值內(nèi)業(yè)計(jì)算上，運(yùn)用拉依達(dá)法則剔除粗大誤差，提高測(cè)量精度，以此為海岸地形測(cè)量發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)支撐。

關(guān)鍵詞：海洋測(cè)繪;GNSS-RTK;灘涂測(cè)量;坡面圖;坡度

中圖分類號(hào)：P229 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）12-0042-03

海洋測(cè)繪[1]作為測(cè)繪學(xué)的分支，主要的研究對(duì)象是占地球總面積的71%的海洋區(qū)域以及在陸地上的水域部分為研究目標(biāo)，其主要的研究項(xiàng)目為海洋及大陸的水域的地理空間位置，以及隨著時(shí)間的推移，各項(xiàng)地理參數(shù)的變化。海洋測(cè)量技術(shù)在近十多年有了顯著的提高，在新的海洋測(cè)繪體系中，融合和吸收了大量的其他相關(guān)學(xué)科的理論和技術(shù)，如航空航天技術(shù)，通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，天文學(xué)、海洋學(xué)等等，不同學(xué)科的相互作用與促進(jìn)，產(chǎn)生了更為先進(jìn)的海洋測(cè)量技術(shù)。

隨著海洋技術(shù)的不斷發(fā)展，GNSS技術(shù)[2，3]已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋測(cè)量中，GNSS-RTK是一種嶄新的技術(shù)，它給海岸地形測(cè)量作業(yè)方法帶來(lái)質(zhì)的變化，特別是在大面積灘涂不方便建立控制的區(qū)域更具有優(yōu)越性，它對(duì)海洋測(cè)量的自動(dòng)化有著重要的作用。

本文提出基于GNSS-RTK技術(shù)在沿海區(qū)域測(cè)量上的研究，GNSS技術(shù)是具備快捷的定位速度，全天候作業(yè)，實(shí)時(shí)性和作業(yè)模式便捷等長(zhǎng)處。該技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)在大陸廣泛使用，根據(jù)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位技術(shù)的研究趨勢(shì)，測(cè)量精度一直在提高，目前的精度可達(dá)厘米級(jí)，在沿海以及近海測(cè)量的作業(yè)也越來(lái)越通暢。本文以舟山桃花島塔灣金沙景區(qū)為例，基于GNSS-RTK技術(shù)對(duì)沙相的長(zhǎng)寬度測(cè)量，以及潮間帶區(qū)域的坡面圖繪制和坡度計(jì)算的應(yīng)用。在外出作業(yè)時(shí)可以明顯感覺(jué)到GNSS-RTK測(cè)量的便捷性和實(shí)時(shí)性以及穩(wěn)定性。因此利用GNSS-RTK技術(shù)測(cè)量沿岸灘涂地形能夠?yàn)楦呔葹┩康匦螠y(cè)量提供實(shí)驗(yàn)支撐。

1 原理方法

1.1GNSS-RTK基本原理

RTK技術(shù)指的是GNSS技術(shù)中的利用載波相位觀測(cè)測(cè)量，基于差分定位技術(shù)的一種新型技術(shù)，目前，RTK技術(shù)測(cè)量的精度可達(dá)厘米級(jí)，現(xiàn)如今采用的RTK技術(shù)的主要有GNSS-RTK和GPS-RTK，兩者的區(qū)別在于衛(wèi)星信號(hào)的不同。原理如圖1所示，首先需在合適的位置上放置基準(zhǔn)站（網(wǎng)絡(luò)RTK無(wú)需自己設(shè)置基站，本文采用網(wǎng)絡(luò)RTK），移動(dòng)流動(dòng)站的位置根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要移動(dòng)，通過(guò)在基準(zhǔn)站已知點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系，通過(guò)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站距離的差分（L3）來(lái)解算流動(dòng)站三維坐標(biāo)。利用基準(zhǔn)站與流動(dòng)站同步觀測(cè)的原理，來(lái)消弱具有相關(guān)性的誤差。

圖1 ?GNSS-RTK工作原理圖

1.2測(cè)量值內(nèi)誤差處理方法

在GNSS-RTK測(cè)量值內(nèi)業(yè)計(jì)算上，由于在實(shí)際作業(yè)中對(duì)每個(gè)點(diǎn)需進(jìn)行多次測(cè)量，故采用拉依達(dá)法則[4]剔除粗大誤差對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

首先將測(cè)量數(shù)據(jù)以平面直角坐標(biāo)形式導(dǎo)出，求得每組數(shù)據(jù)的x方向、y方向和H方向的平均值，以及殘余誤差v，i為第i個(gè)單點(diǎn)，為某點(diǎn)的第i個(gè)歷元的觀測(cè)值，n為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的觀測(cè)次數(shù)。

（1）

根據(jù)中誤差的貝塞爾公式：

（2）

m是中誤差，由于工程測(cè)量規(guī)范的規(guī)定，內(nèi)精度的誤差擁有一個(gè)極限值，這個(gè)限值值稱為極限誤差。通常我們以三倍中誤差作為這個(gè)限值，公式如下：

（3）

根據(jù)實(shí)際測(cè)量需求的不同，精度要求較高時(shí)，也可采取2倍中誤差作為極限誤差。本文仍采用三倍極限誤差為標(biāo)準(zhǔn)。在測(cè)量工作中，當(dāng)出現(xiàn)的誤差超過(guò)極限誤差，就可以將它當(dāng)作是粗差，應(yīng)將其剔除，再將符合內(nèi)精度要求的觀測(cè)值取平均作為測(cè)量點(diǎn)。

2 作業(yè)區(qū)概況以及作業(yè)準(zhǔn)備

作業(yè)區(qū)位于舟山桃花島，測(cè)量區(qū)域是塔灣金沙景區(qū)，作業(yè)內(nèi)容是：對(duì)這塊區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)寬度的測(cè)量、潮間帶的坡面圖繪制以及坡度的計(jì)算。

主要設(shè)備儀器是華測(cè)公司的GNSS-RTK定位設(shè)備，以及計(jì)算機(jī)來(lái)做內(nèi)業(yè)計(jì)算。另外設(shè)置手薄坐標(biāo)系參數(shù)，本次實(shí)驗(yàn)采用CGCS2000坐標(biāo)系，中央經(jīng)線定位122.5度。GNSS-RTK工作模式為網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)中的CORS工作模式，測(cè)量時(shí)對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)觀測(cè)次數(shù)為100次。

3 區(qū)域測(cè)量[5]

根據(jù)拉依達(dá)法則，需對(duì)每個(gè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗大誤差排除，故下圖2為塔灣金沙景區(qū)沙灘測(cè)量并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理符合內(nèi)精度要求的35個(gè)測(cè)量點(diǎn)（導(dǎo)入到谷歌衛(wèi)星地圖中），測(cè)量點(diǎn)以圓點(diǎn)表示。

將所有測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcGIS[6，7]中，由圖2可知，所測(cè)量的點(diǎn)大致分為三大類：第一類為植被點(diǎn)數(shù)據(jù)，即最靠近沙灘的植被為測(cè)量點(diǎn);第二類為高潮位點(diǎn)，即以當(dāng)時(shí)的海浪的高潮時(shí)刻為測(cè)量點(diǎn)，在找尋點(diǎn)時(shí)可以海浪沖刷在沙灘的殘留物為判斷依據(jù);第三類為低潮位點(diǎn)，即以海浪的低潮時(shí)刻為測(cè)量點(diǎn)，在尋找點(diǎn)時(shí)可以查詢潮汐網(wǎng)站來(lái)判斷最低潮時(shí)刻。經(jīng)過(guò)計(jì)算，圖形左側(cè)邊界點(diǎn)與植被點(diǎn)的連線長(zhǎng)度約為1195.16m，圖形上側(cè)植被點(diǎn)與低潮位點(diǎn)的連線長(zhǎng)度為732.39m，圖形右側(cè)兩個(gè)低潮位點(diǎn)間的連線長(zhǎng)度為1418.69m，圖形下側(cè)低潮位點(diǎn)與邊界點(diǎn)的連線長(zhǎng)度為32.81m。四條連線勾勒出閉合沙相區(qū)域，完成沙相長(zhǎng)寬度測(cè)量要求，并且可以利用ArcGIS進(jìn)一步求取沙相區(qū)域面積，本文未計(jì)算。

利用高潮位點(diǎn)和低潮位點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)克里金差值方法，差值出潮間帶的坡面圖如圖3所示。圖中各類顏色代表著不同的大地高，從圖2，圖3中可知，有四組高潮位點(diǎn)與低潮位點(diǎn)的聯(lián)測(cè)，聯(lián)測(cè)點(diǎn)的連線應(yīng)盡量海浪線相垂直。聯(lián)測(cè)點(diǎn)間長(zhǎng)度從圖形中從上往下依次為68.49m、69.13m、63.81m和83.95m。從圖3中可以看出測(cè)量出數(shù)據(jù)的四條直線所在的坡面坡度都比較接近，由此選取其中一對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算坡度如圖所示，兩點(diǎn)之間的高度差是兩點(diǎn)的大地高差等于2.42m，兩點(diǎn)的直線距離就是兩個(gè)坐標(biāo)的經(jīng)緯度之間的距離，直線距離為69.13m。如圖4，因此坡度約為1：28.57。

4 測(cè)量點(diǎn)誤差分析

將該區(qū)域測(cè)量點(diǎn)觀測(cè)值誤差依據(jù)拉依達(dá)法則（三倍極限誤差[8，9]）并通過(guò)Matlab計(jì)算分析[10，11]，分析結(jié)果如下表1。沙相35個(gè)測(cè)量點(diǎn)中有9個(gè)測(cè)量值平面點(diǎn)出現(xiàn)粗大誤差，12個(gè)測(cè)量值高程點(diǎn)出現(xiàn)粗大誤差，舍去這些粗大誤差點(diǎn)，再取該測(cè)量點(diǎn)剩余觀測(cè)值做平均，得到最終測(cè)量值。目的是減少由于人工操作不當(dāng)造成的誤差，提高測(cè)量精度。

表1 測(cè)量點(diǎn)誤差分析

5 結(jié)論

本文介紹了GNSS-RTK的基本原理，以及基于RTK技術(shù)中的CORS作業(yè)方式，因其測(cè)量精度高，便捷，為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的主流方法。本文通過(guò)GNSS-RTK技術(shù)在舟山桃花島灘涂高精度測(cè)量應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，為海洋灘涂測(cè)量技術(shù)發(fā)展做實(shí)驗(yàn)支撐。在灘涂測(cè)量中，利用GNSS-RTK的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)可以模擬出待測(cè)區(qū)的三維坡面圖以及在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)沙相坡度值點(diǎn)的選取都進(jìn)行了分析。本實(shí)驗(yàn)不足之處在于測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)的不足導(dǎo)致三維坡面圖的精度下降，經(jīng)考慮可以通過(guò)乘坐氣墊船的方法在低潮位點(diǎn)測(cè)量來(lái)增加測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，提高插值精度以及作業(yè)效率。

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