RTK 三維水深測量質(zhì)量因素及其驗(yàn)證

胡志渠

(中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220)

引言

RTK 三維水深測量實(shí)質(zhì)是RTK 測量和水深測量相結(jié)合的測量模式，其主要質(zhì)量因素由GPS RTK測量和水深測量各自相應(yīng)的技術(shù)要求決定。RTK 測量通常使用的高程基準(zhǔn)面和水深測量使用的深度基準(zhǔn)面不相同，測量時需要對基準(zhǔn)面進(jìn)行統(tǒng)一。由于GPS 控制網(wǎng)通常布設(shè)在陸域，無法覆蓋海域，在海上進(jìn)行RTK 測量通常存在GPS 控制網(wǎng)外推精度驗(yàn)證問題。RTK 平面精度一般情況下能夠滿足水深測量定位精度要求，高程精度是否能夠滿足水深測量規(guī)范的要求，需要經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，這對于海上RTK 測量的使用范圍受到了一定約束。

1 RTK 三維水深測量與傳統(tǒng)水深測量對比

RTK 三維水深測量是否可行關(guān)鍵看其測量精度是否能夠滿足水深測量規(guī)范要求。其中與傳統(tǒng)水深測量質(zhì)量因素對比分析見表1。從表1 中可以看出RTK 三維水深測量的優(yōu)點(diǎn)就是無需進(jìn)行測量船舶吃水測定，無需進(jìn)行波浪處理和潮汐改正，能夠大大提高作業(yè)效率。

表1 RTK 三維水深測量與常規(guī)水深測量對比表

2 RTK 測量

RTK 定位技術(shù)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合的實(shí)時動態(tài)差分定位技術(shù)，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)通信技術(shù)將導(dǎo)航衛(wèi)星觀測值和測站坐標(biāo)信息一起發(fā)送給流動站，流動站接收到基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，結(jié)合其同時采集的導(dǎo)航衛(wèi)星定位觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)處理，實(shí)時給出厘米級的三維定位結(jié)果。RTK 定位技術(shù)的誤差來源主要是整個衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和差分電臺的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。目前通過使用大功率電臺或者是GPRS 來傳送數(shù)據(jù)信號能夠輕松解決40 km 以內(nèi)的覆蓋范圍。衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)很成熟，只是在使用RTK 定位時，要實(shí)現(xiàn)不同坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是RTK 測量技術(shù)的一個關(guān)鍵問題。

RTK 測量坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的方法通常有四參數(shù)轉(zhuǎn)換法和七參數(shù)轉(zhuǎn)換法。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度主要取決于控制點(diǎn)的覆蓋范圍和坐標(biāo)精度。通常在控制點(diǎn)范圍內(nèi)使用參數(shù)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)精度較高，在控制點(diǎn)范圍外使用參數(shù)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的精度需要根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證情況來確定。海上水深測量區(qū)域往往是在控制點(diǎn)范圍外，屬于外延型，需要對RTK 外延后的測量精度進(jìn)行驗(yàn)證并合格后才能使用。

3 水深測量

傳統(tǒng)水深測量方法是使用水準(zhǔn)測量方法計算得到水尺零點(diǎn)高程，使用回聲測深儀測出水面到泥面的距離，通過同步觀測水尺水位來改正測深數(shù)據(jù)，從而得到泥面高程。水深測量誤差來源主要有水位誤差、測深標(biāo)稱精度、聲速誤差（包括水體聲速不均勻）、波浪影響（船舶姿態(tài)）、吃水誤差、定位延時誤差、海底底質(zhì)差異產(chǎn)生的誤差、測深波束角及海底地形起伏的影響、船速效應(yīng)。其中水位觀測誤差、聲速誤差、吃水誤差、波浪影響的偶然性比較大，人工參與環(huán)節(jié)多，容易對后續(xù)水深數(shù)據(jù)處理質(zhì)量產(chǎn)生影響。

4 RTK 三維水深測量驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證依托工程概況

江蘇洋口港海域地處長江口以北，離岸約12公里，海區(qū)潮差大潮流急，海底地形變化復(fù)雜，非常適合驗(yàn)證RTK 三維水深測量。從2006 年洋口港建設(shè)開始至今，對洋口港海域持續(xù)進(jìn)行了20 多次的定期水深測量，積累了豐富的RTK 三維水深測量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。水深測量區(qū)域覆蓋面積320 km2。測區(qū)東西長34 km，南北寬12 km，測量比例尺包括1∶10000、1∶5000、1∶2000、1∶500，測量方式包括單波束和多波束水深測量，測區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)在航道東端頭，距離陽光島RTK 基準(zhǔn)站24 km，陽光島RTK 基準(zhǔn)站距離陸地12 km。測區(qū)范圍見圖1。為了保證水深測量的精度和可對比性，固定每期水深測量的斷面線，同時采用RTK 三維水深測量和傳統(tǒng)水位控制的方法進(jìn)行水深測量及數(shù)據(jù)處理。水深數(shù)據(jù)處理時采用1985 國家高程基準(zhǔn)面。

4.2 驗(yàn)證過程

1）GPS 控制測量及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)求解

為了保證工程質(zhì)量，本項(xiàng)目在定期水深測量前期按照C 級GPS 控制網(wǎng)技術(shù)要求進(jìn)行了控制測量，陸域布設(shè)三個GPS 點(diǎn)，在距離陸地12 公里的洋口港陽光島布設(shè)1 個GPS 控制點(diǎn)（見圖1 所示），GPS 控制網(wǎng)最長邊長19 km，最短邊長9.2 km，平均邊長13.7 km，項(xiàng)目使用1954 年北京坐標(biāo)系。各個控制點(diǎn)高程按照三等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求進(jìn)行了聯(lián)測。在GPS 網(wǎng)平差后求取了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換布爾莎七參數(shù)（WGS84 坐標(biāo)向1954 年北京坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）。

2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)精度驗(yàn)證

為了確定轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度和可靠性，我們進(jìn)行了實(shí)測檢查。RTK 基準(zhǔn)站布設(shè)在岸邊B04 點(diǎn)，檢查點(diǎn)分布在控制網(wǎng)區(qū)的中部、邊緣和控制網(wǎng)區(qū)外三個區(qū)域（包括兩個臨時潮位觀測站點(diǎn)）。陸域檢查點(diǎn)位置示意圖見圖1，實(shí)測檢查結(jié)果見表2。

表2 RTK 實(shí)測檢查結(jié)果表

圖1 測區(qū)、實(shí)驗(yàn)范圍及點(diǎn)位示意圖

3）RTK 三維水深測量驗(yàn)證

按照圖1所示意的水深測量范圍和GPS網(wǎng)控制范圍，分GPS 控制網(wǎng)范圍內(nèi)和GPS 控制網(wǎng)范圍外延區(qū)域進(jìn)行RTK 三維水深測量與驗(yàn)潮水深測量實(shí)測比對。外業(yè)施測RTK 三維水深測量和驗(yàn)潮水深測量同時進(jìn)行，即在RTK 三維水深測量的同時進(jìn)行水位觀測。測量時GPS 天線和換能器安裝在同一測深桿上，精確量取GPS 天線至換能器的距離S(保持在3 m 左右)，同時量取換能器吃水C。測量時保持6 節(jié)船速。具體安裝和量取位置見圖2。

圖2 RTK 三維水深測量儀器安裝示意圖

測量時基準(zhǔn)站嚴(yán)格按照規(guī)范要求設(shè)置，設(shè)置移動站GPS 輸出數(shù)據(jù)更新率為5 Hz，測深儀按照20 m間隔定標(biāo)距離進(jìn)行記錄，只記錄RTK 固定解。實(shí)測并計算測深改正值、GPS 延時、動吃水。在進(jìn)行驗(yàn)潮水深測量數(shù)據(jù)處理時先對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行手工消除波浪處理，然后按照雙站或者三站水位進(jìn)行改正。在進(jìn)行數(shù)據(jù)對比時保持水深點(diǎn)采集位置相同，統(tǒng)計二者的水深數(shù)據(jù)結(jié)果見表3、表4。

表3 RTK 三維水深與驗(yàn)潮水深差值對比表（外延區(qū)）

表4 RTK 三維水深與驗(yàn)潮水深差值對比表（范圍內(nèi)）

根據(jù)表3 和表4 統(tǒng)計水深較差在±20 cm 內(nèi)點(diǎn)數(shù)占總數(shù)比均大于95 %，可信度高。個別點(diǎn)較差值大，其原因來自消浪處理產(chǎn)生的誤差。而RTK 三維水深測量數(shù)據(jù)處理則避免了上述影響。在GPS 控制網(wǎng)范圍內(nèi)和外延區(qū)域使用RTK 三維水深測量沒有發(fā)現(xiàn)明顯的區(qū)別，說明在保證滿足GPS 控制網(wǎng)七參數(shù)的正確性和RTK 高程測量的規(guī)范要求后，完全可以使用RTK 三維水深測量。

5 RTK 三維水深測量質(zhì)量控制

根據(jù)以上驗(yàn)證過程及成果，總結(jié)出RTK 三維水深測量時候的質(zhì)量控制需要遵循以下幾點(diǎn)：

1）需要有一定控制范圍的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，且高程擬合精度要滿足規(guī)范要求。

2）按照規(guī)范要求的RTK 測量條件嚴(yán)格控制操作過程，進(jìn)行必要的RTK 檢查驗(yàn)證工作。

3）RTK 三維水深測量適合固定基準(zhǔn)面（如85國家高程基準(zhǔn)、日照港理論最低潮面等）的水深測量，對于使用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵娴乃顪y量，必須通過驗(yàn)潮來確定基準(zhǔn)面的變化量（相對于平均海平面）并進(jìn)行相應(yīng)的基準(zhǔn)面改正。

4）GPS 天線和換能器應(yīng)安裝在換能器桿兩端，且距離不宜過長（宜控制在3 m 以內(nèi)），過長的天線容易引起RTK 高程和平面位置產(chǎn)生較大誤差。

5）RTK 三維水深測量為全數(shù)字水深測量，GPS定位坐標(biāo)輸出頻率5～10 Hz（規(guī)范要求更新頻率不低于10 Hz，根據(jù)目前國內(nèi)常用測深導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集設(shè)備的性能，難適用到10 Hz，高了容易引起數(shù)據(jù)無規(guī)律的擁堵），且應(yīng)該進(jìn)行延時檢查校準(zhǔn)。有條件的可以采用帶有1PPS 輸出的GPS RTK 和相應(yīng)數(shù)字測深系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集軟件來解決延時問題。

6）水深測量時應(yīng)該間隔2 小時對RTK 流動站進(jìn)行一次初始化。RTK 三維水深數(shù)據(jù)處理時應(yīng)當(dāng)檢查RTK 水位是否存在異常。測量過程中確保流動站始終保持固定解，如果衛(wèi)星或差分信號失去鎖定時間過長，應(yīng)立即停止測量。

7）RTK 三維水深測量的有效范圍還與RTK 差分信號的作用范圍密切相關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，目前常用RTK 差分電臺通訊距離在海上15 km范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定。如果增高基準(zhǔn)站差分天線的高度和差分電臺的功率可以增加RTK 差分電臺的通訊距離，最遠(yuǎn)可達(dá)到30 km。但是在GPS 控制網(wǎng)外推距離越遠(yuǎn)處的高程精度越難保證，應(yīng)適當(dāng)控制外推距離，宜控制在20 公里以內(nèi)。

8）利用Cors 站信號進(jìn)行RTK 三維水深測量，在陸地距離無限制，但是在海上網(wǎng)絡(luò)信號差，容易失鎖，有效作用范圍小。

6 結(jié)語

通過工程現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用和研究分析，總結(jié)出了RTK 三維水深測量質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)（質(zhì)量因素），在今后的RTK 三維水深測量工作中，使用以上工程經(jīng)驗(yàn)，可合理安排測量內(nèi)、外業(yè)工作，細(xì)化作業(yè)過程，既能節(jié)省時間又能保證工程質(zhì)量，既提高了工作效率又能節(jié)省生產(chǎn)成本，未來的經(jīng)濟(jì)效益切實(shí)可待。同時經(jīng)過工程項(xiàng)目的實(shí)地驗(yàn)證和總結(jié)，為今后繼續(xù)補(bǔ)充完善RTK 三維水深測量的規(guī)范內(nèi)容提供了切實(shí)的依據(jù)，為行業(yè)的科技進(jìn)步和持續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)支持。