GPS-RTK技術(shù)在水庫水下地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用探究

薛暉，張策

GPS-RTK技術(shù)在水庫水下地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用探究

薛暉，張策

（山西華緯測(cè)繪有限公司，山西 運(yùn)城 044300）

摘 要：由于科技水平的不斷提高，GPS技術(shù)得到快速發(fā)展，并應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域之中。以水庫水下地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用為例，對(duì)GPS-RTK技術(shù)的有效應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的研究，此次研究明確了GPS-RTK的重要性，從而為水庫水下地形圖測(cè)繪工作的有效開展提供保障。

GPS-RTK技術(shù)；水庫水利圖測(cè)繪；應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；高程

在水利工程中，水下地形測(cè)繪工作的順利開展具有重要的作用，GPS-RTK技術(shù)在該工程中應(yīng)用，不僅能夠使工程的精準(zhǔn)度和質(zhì)量得到顯著提升，而且使操作的過程中更加便捷，因此，需要對(duì)其在水下測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的研究。此次研究對(duì)豐富水庫水下地形圖測(cè)繪中GPS-RTK應(yīng)用方面的知識(shí)具有理論性意義。

1 GPS-RTK技術(shù)的闡述

1.1 基本工作原理

GPS的基本工作原理為在定位衛(wèi)星高速運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，將已知的瞬間位置當(dāng)成起算數(shù)據(jù)，從而形成的GPS全球定位系統(tǒng)，利用空間距離來對(duì)測(cè)量位置進(jìn)行有效的確定，該種方法不僅速度較快，而且準(zhǔn)確性也相對(duì)較高。在動(dòng)態(tài)測(cè)量以及靜態(tài)測(cè)量中，利用GPS全球定位系統(tǒng)來進(jìn)行有效的定位，之后對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效運(yùn)算，從而得到必要的結(jié)果。但是在野外實(shí)時(shí)測(cè)繪中應(yīng)用時(shí)，會(huì)受到一定因素的限制，因此，在野外想要獲取厘米級(jí)定位結(jié)果時(shí)，需要將RTK定位測(cè)量技術(shù)應(yīng)用其中。RTK定位技術(shù)以載波相位觀測(cè)為原理，該技術(shù)想要得到有效應(yīng)用，需要使流動(dòng)站和基準(zhǔn)站保持四顆衛(wèi)星跟蹤，之后利用基準(zhǔn)站，將已知信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)一起傳送到流動(dòng)站之中，GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和鏈接數(shù)據(jù)能夠組成差分方程，從而有效保障信息處理的及時(shí)性。

1.2 RTK工作優(yōu)勢(shì)

RTK工作優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面：①無須在觀測(cè)點(diǎn)間進(jìn)行通視，測(cè)量界的難點(diǎn)之一就是觀測(cè)點(diǎn)間進(jìn)行通視，但是將GPS技術(shù)引入其中，可以使該難點(diǎn)得到有效解決，在空間方面，無須進(jìn)行通視，從而使選點(diǎn)的自由度得到有效保障，但同時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行必要的注意，為了使GPS衛(wèi)星信號(hào)被干擾的現(xiàn)象得到有效避免，要使測(cè)量上空的寬闊度得到有效保障；②氣候?qū)τ^測(cè)不會(huì)產(chǎn)生影響，并且時(shí)間較短，當(dāng)基線處于20 km之內(nèi)，只需5 min就能完成快速定位；③能夠?qū)崿F(xiàn)三維坐標(biāo)顯示，GPS測(cè)量不僅能夠使觀測(cè)點(diǎn)的平面位置被有效獲取，而且能夠?qū)τ^測(cè)位置的大地高程進(jìn)行精準(zhǔn)的獲取，從而以三維坐標(biāo)的形式來進(jìn)行呈現(xiàn)；④操作具有明顯的便利性，GPS測(cè)量技術(shù)的自動(dòng)化程度較高，在運(yùn)行開始之前，相關(guān)工作人員需要對(duì)相關(guān)儀器進(jìn)行開關(guān)、監(jiān)視等操作，可以將復(fù)雜跟蹤作業(yè)步驟省略。

2 GPS-RTK技術(shù)在水庫水下地形圖測(cè)繪中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 工作效率顯著提升

將RTK技術(shù)應(yīng)用于水庫水下地形圖測(cè)繪之中，能使工作效率顯著提升，有效縮減測(cè)量工作的流程，整個(gè)流程中都能實(shí)現(xiàn)一體化作業(yè)，一個(gè)工作人員就能完成水下地形測(cè)繪檢測(cè)站中的所有操作，顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，使工作速度得到顯著提高，為技術(shù)行業(yè)的快速發(fā)展起到正向促進(jìn)作用。

2.2 使測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度顯著提升

將RTK技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用，不僅能夠使地形圖的測(cè)繪比例達(dá)到將近1∶500，而且能夠使高程的精度要求得到滿足。除此之外，在測(cè)量的過程中會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，但是誤差以均勻分布的狀態(tài)呈現(xiàn)，從而使誤差積累問題無法形成，使RTK測(cè)量的基本目標(biāo)能夠有效實(shí)現(xiàn)，即平均精度、高程精度等都能夠以均勻狀態(tài)作用的形式存在。

3 水庫水下地形測(cè)繪作業(yè)的流程

3.1 設(shè)置控制網(wǎng)

從控制網(wǎng)的角度來講，其網(wǎng)形設(shè)計(jì)具有靈活性的特點(diǎn)，不僅常規(guī)測(cè)量中無須對(duì)其提出相關(guān)的要求，而且觀測(cè)點(diǎn)之間無須進(jìn)行通視，但還是需要滿足一些特殊的規(guī)定。在控制網(wǎng)設(shè)置過程中，雖然地面圖形等因素對(duì)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生有效的影響，但是還需要對(duì)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的圖形結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分考量。在控制網(wǎng)進(jìn)行大范圍設(shè)置時(shí)，需要將逐步推進(jìn)法引入其中，當(dāng)圖形結(jié)構(gòu)的考量中缺乏充分性時(shí)，控制網(wǎng)在內(nèi)插點(diǎn)之后會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲的現(xiàn)象，導(dǎo)致網(wǎng)形結(jié)構(gòu)不牢固，平差結(jié)果不理想。

3.2 RTK差分定位

有效應(yīng)用RTK差分技術(shù)，對(duì)探測(cè)儀的三維坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)獲取，尤其在比例較大的工程中RTK差分技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更加凸顯。在水庫水下地形測(cè)繪工程中，流動(dòng)站和基準(zhǔn)發(fā)射臺(tái)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要保持合理化的初始化前提，這樣在高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸過程中，能夠使計(jì)算時(shí)間有效降低，從而使其工作效率得到顯著提升。除此之外，在基準(zhǔn)站必要條件得到滿足的前提下，進(jìn)行RTK的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，需要在沒有遮擋、電臺(tái)信號(hào)較好、地勢(shì)較高的地方進(jìn)行基準(zhǔn)站的安裝，同時(shí)，需要在具有精確坐標(biāo)的已知點(diǎn)中進(jìn)行必要的安裝。

3.3 回聲探測(cè)儀探測(cè)

對(duì)水深度進(jìn)行測(cè)量的儀器主要有單波束測(cè)深儀、多波束測(cè)深儀、回聲測(cè)深儀等，本文以單波束測(cè)深儀為例，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)闡述。單波束測(cè)深儀的測(cè)深過程：采用換能器垂直向下發(fā)射短脈沖聲波，當(dāng)這個(gè)脈沖聲波遇到海底時(shí)發(fā)生反射，反射回波返回聲納，并被換能器接收，其水深值由聲波在海底間的雙程旅行時(shí)間和水介質(zhì)的平均聲速確定。其特點(diǎn)是波束垂直向下發(fā)射，接收反射回波，聲波旅行中沒有折射現(xiàn)象或折射現(xiàn)象可忽略不計(jì)，回波信號(hào)檢測(cè)方法只需使用振幅檢測(cè)法即可，單波束測(cè)深過程采取單點(diǎn)連續(xù)的測(cè)量方法，其測(cè)深數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)是沿航跡分布，數(shù)據(jù)十分密集，而在測(cè)線間沒有數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理成圖過程中，為解決測(cè)深數(shù)據(jù)分布不均問題，均采用數(shù)據(jù)網(wǎng)格化內(nèi)插的方法來預(yù)測(cè)測(cè)線間數(shù)據(jù)空白區(qū)的水深變化情況和趨勢(shì)。數(shù)據(jù)處理的缺陷是無法探測(cè)到尺度小于測(cè)線間的微地形，通過網(wǎng)格化內(nèi)插不僅會(huì)產(chǎn)生假地形，而且也會(huì)使測(cè)線上已經(jīng)探測(cè)到的小尺度微地形通過內(nèi)插平滑而歪曲、夸大或抑制。

3.4 高程異常

通常情況下，高程指的是大地高，測(cè)量中使用的高程為正常高，兩者之間存在一定的差異性，因此，在實(shí)際使用的過程中，需要將大地高轉(zhuǎn)換成正常高，兩者之間的差為高程異常。高程轉(zhuǎn)換通常用以下方式來完成：①基于重力場(chǎng)模型。高程異常是重力模型中的重要參數(shù)之一，對(duì)其進(jìn)行合理的應(yīng)用，將點(diǎn)位信息當(dāng)成重要的依據(jù)，能夠?qū)c(diǎn)位高程異常進(jìn)行有效的求取，當(dāng)數(shù)據(jù)的基數(shù)足夠大時(shí)，能夠使精準(zhǔn)的高程異常得以確定。②數(shù)學(xué)模型擬合。當(dāng)正常高是已知量的水準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，在正常點(diǎn)確定的過程中，需要將水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的方式引入其中，利用公式來對(duì)其進(jìn)行有效的計(jì)算，從而來確定高程異常。在建立和使用數(shù)學(xué)函數(shù)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)水準(zhǔn)面高進(jìn)行合理的模擬，并且對(duì)內(nèi)插法進(jìn)行有效使用，從而來對(duì)高程異常進(jìn)行有效確定，由于數(shù)學(xué)模型之間存在一定的差異性，從而使得方法也存在較大的差異性，如二次曲面擬合法、加權(quán)平均法等。③聯(lián)合平差法。當(dāng)對(duì)某水庫地下水域進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，如果觀測(cè)數(shù)據(jù)之間存在較大的差異，需要使用整體平差模型，并且利用聯(lián)合平差對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得正常高程，該方法雖然優(yōu)勢(shì)相對(duì)比較明顯，但是區(qū)域大小會(huì)對(duì)其精準(zhǔn)度產(chǎn)生直接的影響，因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)密度優(yōu)化、數(shù)據(jù)分布優(yōu)化等進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。④平差轉(zhuǎn)換法。由于部分點(diǎn)之間存在三維坐標(biāo)，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換基本原理當(dāng)成重要的依據(jù)，來對(duì)橢球面參數(shù)與大地水準(zhǔn)面相互轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行有效的確定，與此同時(shí)，在平差計(jì)算中有效代入，在三維約束作用下，對(duì)未知點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正常高數(shù)值進(jìn)行有效的確定。

4 結(jié)語

通過論述可知，在水庫水下地形圖測(cè)繪中應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)，不僅能顯著減少工作量，而且能夠使工作效率和精準(zhǔn)度得到顯著提升，因此，對(duì)GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行全面研究具有重要的意義和作用。由于時(shí)代在不斷的發(fā)展，因此，需要對(duì)其進(jìn)行不斷研究，從而使其能夠在水庫水下地形圖測(cè)繪中的作用得到最大化體現(xiàn)。

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P228.4；TV221.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.071

2095－6835（2019）23－0152－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕