基于RTK三維水深測量技術(shù)的多波束測深系統(tǒng)動(dòng)態(tài)潮位改正

汪曉峰

（廈門地質(zhì)工程勘察院，福建 廈門361008）

1 RTK三維水深測量技術(shù)的含義

RTK 技術(shù)即載波相位差分技術(shù)，其能夠克服傳統(tǒng)靜態(tài)測量過程中繁雜的計(jì)算過程，使測量人員能夠獲得精確的厘米級(jí)別的測量數(shù)據(jù)。在RTK 載波相位觀測值的基礎(chǔ)上，流動(dòng)站可以接收基準(zhǔn)站傳遞的數(shù)據(jù)信息，處理差分觀測值并輸出精確定位結(jié)果，大大提高測量工作的準(zhǔn)確度與工作效率，實(shí)現(xiàn)水深測量技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步。

2 基于RTK三維水深測量技術(shù)建立多波束測深系統(tǒng)動(dòng)態(tài)潮位改正模型

2.1 研究目的

潮位檢測是測量部門的重要測量方向，潮位測量的準(zhǔn)確度將影響船舶、天氣預(yù)測等行業(yè)的日常運(yùn)營[1]。在傳統(tǒng)潮位站的水深檢測工作中，由于水下環(huán)境的復(fù)雜性與不同位置對(duì)潮位的影響，潮位往往較難得到良好的校正效果，從長遠(yuǎn)看不利于測量行業(yè)技術(shù)的更新與進(jìn)步。

基于RTK 三維水深測量技術(shù)的多波束測深系統(tǒng)動(dòng)態(tài)潮位改正模型的優(yōu)勢包括：該模型能夠結(jié)合RTK 三維水深測量技術(shù)減小潮位測量誤差，并通過多波束回聲定位，提高水位監(jiān)測的覆蓋面積，使數(shù)據(jù)密度與測量效率大大提高，降低工作人員的工作強(qiáng)度，確保測量工作的準(zhǔn)確度與工作效率，實(shí)現(xiàn)潮位改正效率提高與潮位測量精度的進(jìn)步。

隨著我國探測技術(shù)的不斷發(fā)展，RTK 三維水深測量技術(shù)與多波束測深系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于越來越多的探測行業(yè)中。RTKLIB 程序包是RTK 系統(tǒng)中常用的程序文件，其能夠提高標(biāo)準(zhǔn)的GNSS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，而多波束測深系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)中包含了計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)顯示、輸出與儲(chǔ)存模塊。由于RTKLIB 程序包的開源性，設(shè)計(jì)人員能夠查看程序包的源碼，使RTKLIB 程序包、RTK 系統(tǒng)具備整合與交互的可能性。通過對(duì)硬件單片機(jī)的設(shè)計(jì)以及軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)RTK 三維水深測量技術(shù)與多波束測深系統(tǒng)的交互。

2.2 研究過程

2.2.1 功能分析與模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員需要通過對(duì)最低潮面數(shù)據(jù)的捕捉計(jì)算基準(zhǔn)面隨時(shí)間的變化，并且使系統(tǒng)具有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)與較高的精度。設(shè)計(jì)人員需要通過RTK 外業(yè)采集數(shù)據(jù)文件、設(shè)計(jì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)原坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)的精確定位模塊的設(shè)計(jì)，通過三維姿態(tài)改正、理論基面轉(zhuǎn)換等模塊的設(shè)計(jì)，結(jié)合具體潮位信息，確定水深轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)面規(guī)則，最終生成交互動(dòng)態(tài)潮位顯示系統(tǒng)。

2.2.2 坐標(biāo)算法設(shè)計(jì)

在基于RTK 的系統(tǒng)開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)人員需要編入目標(biāo)橢球參數(shù)、平面轉(zhuǎn)換參數(shù)、投影方式、高程擬合參數(shù)、矯正參數(shù)等參數(shù)特征的轉(zhuǎn)換算法。通過函數(shù)的迭代實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的反解過程。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以七參數(shù)法與高斯投影公式等算法為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，完成系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)坐標(biāo)的底層運(yùn)算[2]。

2.2.3 三維姿態(tài)改正

在潮位的測量過程中，由于潮水具有無序的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，位于海面的測量儀器往往容易因此而產(chǎn)生測量姿態(tài)的變化，從而使測量數(shù)值出現(xiàn)較大幅度的誤差。因此，設(shè)計(jì)人員需要通過三維姿態(tài)精確計(jì)算測量儀器在海面的具體擺動(dòng)幅度，并建立瞬時(shí)坐標(biāo)，進(jìn)而在三維矩陣的幫助下進(jìn)行坐標(biāo)變換，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的構(gòu)建過程與潮位測量坐標(biāo)的精確改正。

2.2.4 基面轉(zhuǎn)換模塊

在測深系統(tǒng)中，基準(zhǔn)面是系統(tǒng)轉(zhuǎn)化深度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)面分為斜面與平面。為實(shí)現(xiàn)斜面與平面基準(zhǔn)面的量化統(tǒng)一，設(shè)計(jì)人員需要使用相應(yīng)的基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)化公式，使不同設(shè)備的參照值形成統(tǒng)一。研究人員需要通過算法的設(shè)計(jì)，輸出基面轉(zhuǎn)化改正方案與符合當(dāng)?shù)貐^(qū)位特點(diǎn)的潮高計(jì)算文件，確保系統(tǒng)能夠?qū)λ蛔兓M(jìn)行及時(shí)的反饋，實(shí)現(xiàn)潮位改正系統(tǒng)的高效性。

2.3 研究結(jié)果

在多波束測深系統(tǒng)動(dòng)態(tài)潮位改正模塊的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)人員能夠通過RTK 技術(shù)對(duì)測深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，記錄多波束主測線與檢測線的相關(guān)參數(shù)，并將經(jīng)過平均值處理的多波束潮位改正的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)照組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最終使基于RTK 技術(shù)的多波束測深系統(tǒng)能夠達(dá)到更高精度的潮位改正，基本實(shí)現(xiàn)更加高效的潮位測量過程。

4 結(jié)論

通過對(duì)基于RTK 三維水深測量技術(shù)建立多波束測深系統(tǒng)動(dòng)態(tài)潮位改正模型的設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)多波束測深系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)潮位改正系統(tǒng)能夠在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中達(dá)到更加高效的測量與改正水平。在模型的設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)潮位基面的轉(zhuǎn)換，RTK 技術(shù)能夠更加精確地測量潮位標(biāo)準(zhǔn)，提高數(shù)據(jù)的精確程度。

5 結(jié)語

基于RTK 三維水深測量技術(shù)建立的多波束測深系統(tǒng)動(dòng)態(tài)潮位改正模型是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測量的重要?jiǎng)?chuàng)新之一，設(shè)計(jì)人員能夠通過坐標(biāo)算法的設(shè)計(jì)、三維姿態(tài)改正、基面轉(zhuǎn)化程序等系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，使潮位數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、快速地被處理與分析，促進(jìn)潮位改正工作的高效高質(zhì)量完成，為測深技術(shù)的發(fā)展提供寶貴的創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)探測行業(yè)的技術(shù)革命與可持續(xù)發(fā)展。