GPS-RTK測量技術(shù)在小草湖水文站的應(yīng)用

李樹波

（新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番水文勘測局，新疆 吐魯番 838000）

傳統(tǒng)的水文測量普遍采用水準(zhǔn)儀、全準(zhǔn)儀等，既費(fèi)人力又費(fèi)時。隨著水文巡測工作的開展，加之部分河道測驗(yàn)斷面沖淤變化較大，每場洪水之后均需重新測量大斷面，加大了水文測量工作量?，F(xiàn)以小草湖水文站為例，對GPS-RTK 實(shí)時動態(tài)測量技術(shù)（以下簡稱GPS-RTK 測量技術(shù)）在水文測量中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 概況

白楊河發(fā)源于東天山支脈博格達(dá)峰南麓，由黑溝、阿克蘇河、高崖子河等山洪溝匯集而成，由北向南穿越天山峽谷進(jìn)入托克遜縣境內(nèi)，隨后流向轉(zhuǎn)為由西向東，最終注入托克遜縣城東南約50 km 的艾丁湖[1]。其主要供給烏魯木齊市達(dá)坂城鎮(zhèn)、東溝鄉(xiāng)、西溝鄉(xiāng)、阿克蘇鄉(xiāng)和托克遜縣的托克遜鎮(zhèn)、克爾堿鎮(zhèn)、夏鄉(xiāng)和郭勒布依鄉(xiāng)的生產(chǎn)生活用水，余水最終匯入艾丁湖[2]。

小草湖站位于吐魯番市托克遜縣“三十里風(fēng)區(qū)”的風(fēng)口，是白楊河出山口水文站。該站從2009 年1 月開始觀測至今，觀測項(xiàng)目有水位、流量、降水，主要為中小河流治理、下游托克遜縣防洪提供實(shí)時雨水情服務(wù)。該站安裝的儀器設(shè)備有1 套EKA-Ⅵ型電動纜道（使用柴油發(fā)電機(jī)供電）、非接觸微波測速儀及雷達(dá)水位計(jì)（含自記雨量計(jì)）。

2 GPS-RTK測量技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)

RTK（Real Time Kinematic）采用實(shí)時動態(tài)載波相位差分定位技術(shù)進(jìn)行測量，是一種新的GPS 測量方法，能夠在野外實(shí)時獲得厘米級的定位精度，應(yīng)用前景廣泛。

2.1 GPS-RTK測量技術(shù)基本原理

RTK 測量系統(tǒng)是測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)構(gòu)成的組合系統(tǒng)，是一種基于高精度載波相位觀測值的實(shí)時動態(tài)差分定位技術(shù)，基準(zhǔn)站需將自己所獲得的載波相位觀測值及站坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)時播發(fā)給在其周圍工作的動態(tài)用戶，能夠?qū)崟r提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度[3]。GPS-RTK 全球定位實(shí)時動態(tài)測量系統(tǒng)由GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星、基準(zhǔn)站、移動站、無線通信電臺以及動態(tài)差分測量軟件組成[4]。

其工作原理為：基準(zhǔn)站接收機(jī)設(shè)在固定的參考點(diǎn)位上，連續(xù)接收所有可視GNSS 衛(wèi)星信號，并將測站坐標(biāo)、觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機(jī)工作狀態(tài)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送出去[5]，流動站接收機(jī)在跟蹤GNSS 衛(wèi)星信號的同時接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，推求載波相位整周模糊度，通過相對定位模型獲取所在點(diǎn)相對基準(zhǔn)站的坐標(biāo)和精度指標(biāo)，在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行實(shí)時處理給出厘米級定位結(jié)果。

流動站可處于靜止?fàn)顟B(tài)、運(yùn)動狀態(tài)，也可在動態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解。整周末知數(shù)解確定后，即可進(jìn)行每個歷元的實(shí)時處理，只要能保持5 顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，流動站就可隨時給出厘米級定位結(jié)果。

2.2 GPS-RTK測量技術(shù)傳輸?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸模式主要通過電臺傳到移動站，優(yōu)點(diǎn)是信號穩(wěn)定，速度快；缺點(diǎn)是距離受地形限制，作用距離較近（一般小于15 km）。

新的差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸模式通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳到移動站，優(yōu)點(diǎn)是距離不受地形限制，作用距離遠(yuǎn)，解算距離可達(dá)30 km；缺點(diǎn)是信號受手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量影響。

3 GPS-RTK測量技術(shù)在水文測量中的應(yīng)用

水文站斷面測量與地形測量是水文測驗(yàn)工作的重要組成部分，直接關(guān)系到測驗(yàn)精度。當(dāng)前，各水文站普遍采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行斷面測量，一般需要3 個人以上。若將GPS-RTK 測量技術(shù)引入水文測量中，僅需一人攜帶移動站移動，不僅能滿足小區(qū)域測量精度要求，還能實(shí)現(xiàn)斷面測量的高精度、高效率。

3.1 水文測站地形測量

小草湖站測驗(yàn)斷面處在兩山夾持中。根據(jù)水文測驗(yàn)規(guī)范要求，測驗(yàn)斷面上游及下游地形變化均要測量，從而掌握地形變化對洪水測驗(yàn)的影響。傳統(tǒng)地形測量方式采用自動全站儀測量，一人操作全站儀，另一人或兩人各持一臺移動鏡進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)采樣，其操作方法較復(fù)雜，費(fèi)時費(fèi)力。通過GPS-RTK技術(shù)測量僅需要1 個人即可完成，在架設(shè)基站和移動站后，由BM 假定高程為引據(jù)點(diǎn)，對測驗(yàn)斷面周邊進(jìn)行地形測量。

3.2 水尺零點(diǎn)高程測量

小草湖站水尺零點(diǎn)高程測量，按水文勘測規(guī)范要求，傳統(tǒng)測量方法均采用水準(zhǔn)儀加一套雙面水準(zhǔn)尺測量，一般需要3 個人以上才能操作。通過GPSRTK 測量技術(shù)直接引測BM 點(diǎn)高程至河道斷面水尺零點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，采用平滑方式提高精度，從而測量出BM 點(diǎn)高程與各系列水尺的高差。2016 年小草湖站共設(shè)立水尺11只，因洪水沖毀，陸續(xù)新建水尺，以掌握水位變化。全年共施測水尺零點(diǎn)高程8次。根據(jù)水文測量規(guī)范要求，以水文四等水準(zhǔn)方法測量，其精度達(dá)到0.031 m即可。測量結(jié)果，詳見表1。

表1 小草湖站水尺零點(diǎn)高程測量成果

由表1 可知，全年水尺零點(diǎn)高程測量均采用GPS-RTK測量技術(shù)。P13次測量中，最大高差為1.8 cm；P33 次測量中，最大高差為1.7 cm；P52 次測量中，最大高差為0.9 cm；P62次測量中，最大高差為0.8 cm；其他水尺因洪水沖毀，沒有進(jìn)行2次比測。校1和校2 主要是對BM 假定高程進(jìn)行校驗(yàn)。從P1、P3、P5、P6數(shù)據(jù)看，四者均未超出四等檢測校差0.031 m。

3.3 河道大斷面測量

小草湖站大斷面測量一般采用的儀器是卷尺、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀以及全站儀等，測量時至少2名以上工作人員來操作，工作量較大，誤差也大。而采用GPS-RTK 測量技術(shù)只需1 個人帶上移動站，以水文五等水準(zhǔn)方法測量，精度達(dá)到5 cm 即滿足規(guī)范要求。具體操作步驟如下。

3.3.1 建立項(xiàng)目

（1）打開Hi-Survey 軟件。

（2）新建項(xiàng)目，點(diǎn)擊“項(xiàng)目”→“項(xiàng)目信息”，點(diǎn)擊界面上的藍(lán)色懸浮“新建”按鈕（新建按鈕可拖動），進(jìn)入創(chuàng)建項(xiàng)目界面，輸入項(xiàng)目名（必填）、創(chuàng)建人、備注等信息，選擇所需的坐標(biāo)系統(tǒng)和圖例編碼，確認(rèn)無誤后點(diǎn)擊“確定”完成新建項(xiàng)目。

（3）項(xiàng)目設(shè)置，選擇坐標(biāo)系統(tǒng)，設(shè)置橢球和投影參數(shù)。

3.3.2 設(shè)置基準(zhǔn)站

（1）連接設(shè)備。點(diǎn)擊“設(shè)備連接”或直接點(diǎn)擊右上角“請連接設(shè)備”進(jìn)入設(shè)備連接界面，選擇基準(zhǔn)站進(jìn)行藍(lán)牙配對連接。

（2）設(shè)置基準(zhǔn)站參數(shù)。先設(shè)置基準(zhǔn)站“接收機(jī)”位置，再設(shè)置“電文格式”“截止高度角”“數(shù)據(jù)鏈”，并通過“高級選項(xiàng)”設(shè)置“定位數(shù)據(jù)頻率”“臨時靜態(tài)”等。

（3）設(shè)置基準(zhǔn)站位置。若基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)上且知道轉(zhuǎn)換參數(shù)，則選擇“已知點(diǎn)設(shè)站”，直接選擇該點(diǎn)WGS-84的BLH坐標(biāo)，也可事先打開轉(zhuǎn)換參數(shù)，輸入該點(diǎn)NEZ 坐標(biāo)，這樣基準(zhǔn)站就以該點(diǎn)的WGS-84 BLH坐標(biāo)為參考，發(fā)射差分?jǐn)?shù)據(jù)。

若基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點(diǎn)上，則選擇“平滑設(shè)站”，設(shè)置平滑次數(shù)；完成數(shù)據(jù)鏈、電文格式等設(shè)置后，點(diǎn)擊懸浮按鈕“設(shè)置”接收機(jī)將會按照設(shè)置的平滑次數(shù)進(jìn)行平滑，最后取平滑后的均值為基準(zhǔn)站坐標(biāo)。另外，平滑設(shè)站若勾選“保存坐標(biāo)”，則還需輸入該坐標(biāo)的目標(biāo)高、選擇量高類型，輸入點(diǎn)名。

（4）點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)鏈”，選擇數(shù)據(jù)鏈類型，輸入相關(guān)參數(shù)。

（5）點(diǎn)擊“高級選項(xiàng)”，設(shè)置定位數(shù)據(jù)頻率。之后，點(diǎn)擊懸浮按鈕“設(shè)置”，軟件提示設(shè)置成功。

（6）查看主機(jī)差分燈是否有規(guī)律閃爍紅色；使用外掛電臺時，電臺收發(fā)燈每秒閃爍1 次。若燈閃爍正常，則提示“基準(zhǔn)站設(shè)置成功，是否切換至移動站設(shè)置”。

3.3.3 設(shè)置移動站

設(shè)置移動臺用藍(lán)牙方式連接，確認(rèn)移動臺數(shù)據(jù)鏈以及其他各項(xiàng)參數(shù)和基準(zhǔn)站一致。移動站的設(shè)置與基準(zhǔn)站連接的步驟相同，移動站的數(shù)據(jù)鏈參數(shù)必須要和基準(zhǔn)站的相同才能接收差分?jǐn)?shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置與基準(zhǔn)站一致后點(diǎn)擊懸浮按鈕“設(shè)置”，主機(jī)語音播報“UHF 移動臺”。稍等片刻，頂部信息欄中顯示“固定解”，便可以開始測量作業(yè)。

3.3.4 參數(shù)計(jì)算

首先建立控制點(diǎn)庫，具體步驟如下：點(diǎn)擊主界面“點(diǎn)數(shù)據(jù)”→“控制點(diǎn)”→“添加控制點(diǎn)”，手動輸入或通過點(diǎn)擊右上角的“實(shí)時采集”“點(diǎn)選”“圖選”來選擇點(diǎn)名和相應(yīng)的坐標(biāo)，再點(diǎn)擊右下角“確定”便可建立控制點(diǎn)庫。點(diǎn)擊“參數(shù)計(jì)算”，計(jì)算類型選用“四參數(shù)+高程擬合”，高程擬合選用“固定差改正”（3 個點(diǎn)以上，高程擬合可以選用“平面擬合”方法）；隨后再選擇1 個采集點(diǎn)為源點(diǎn)，在目標(biāo)點(diǎn)處輸入相應(yīng)控制點(diǎn)坐標(biāo)；最后點(diǎn)擊“保存”。

3.3.5 碎步測量

進(jìn)入碎步測量界面，當(dāng)顯示固定后才可以采集坐標(biāo)。點(diǎn)擊“浮動采集”，輸入“點(diǎn)名”“目標(biāo)高”和“目標(biāo)高類型”，再點(diǎn)擊“確定”即可記錄該點(diǎn)。因水尺零點(diǎn)高程精度要求，每根水尺零點(diǎn)高程測量均平滑10次，自動解算高程數(shù)據(jù)。

3.3.6 數(shù)據(jù)成果導(dǎo)出

在“數(shù)據(jù)交換”界面先選擇坐標(biāo)點(diǎn)，再選擇對應(yīng)的格式導(dǎo)出或“自定義”導(dǎo)出，輸入文件名，選擇文件保存路徑，點(diǎn)擊“確定”即可導(dǎo)出數(shù)據(jù)。通過GPS-RTK測量技術(shù)完成測量后，數(shù)據(jù)導(dǎo)出成果詳見表2。

表2 小草湖站RTK數(shù)據(jù)導(dǎo)出（部分）

3.3.7 大斷面測量成圖分析

2016 年小草湖站汛前汛后共施測斷面8 次，其中汛前測量結(jié)果如圖1所示。

圖1 小草湖站汛前大斷面測量結(jié)果

由圖1 可知，測量大斷面能較好地掌握河底斷面變化。通過導(dǎo)出數(shù)據(jù)后，在計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工處理，在Excel軟件中通過函數(shù)公式計(jì)算出間距，再由間距確定起點(diǎn)距；斷面高程數(shù)據(jù)則直接測算點(diǎn)對點(diǎn)高差，然后換算成BM假定高程后得出河道斷面數(shù)據(jù)。

3.4 測量注意事項(xiàng)

利用GPS-RTK 測量技術(shù)測量小草湖站大斷面時，只需1 個人操作，從架基站開始到測量結(jié)束，大約30 min內(nèi)即可完成；再加上導(dǎo)出數(shù)據(jù)處理加工，套用Excel函數(shù)公式算出起點(diǎn)距和高程等結(jié)果，前后時間總計(jì)不超過1 h。相比水準(zhǔn)儀測量方法，該技術(shù)大大提高了工作效率。

需要注意的是，水尺零點(diǎn)高程測量需要進(jìn)行平滑10次操作，自動算出高程，精度相比單點(diǎn)操作高，而且技術(shù)上也需要進(jìn)行類似往返測量2 次，取平均值數(shù)據(jù)更可靠。而大斷面測量在BM 假定高程引測時，先進(jìn)行線放樣確定左右兩岸兩點(diǎn)后，形成一條線，再進(jìn)行沿線碎步測量，這樣不會偏離斷面線，再進(jìn)行1 次BM 假定高程測量（需要在對岸設(shè)置1 個閉合點(diǎn)），以便查驗(yàn)測量精度差。本年度測量未設(shè)置閉合點(diǎn)，無法看出精度差，僅僅通過斷面測量計(jì)算過水面積。

4 結(jié)語

通過GPS-RTK 測量技術(shù)在小草湖站實(shí)際應(yīng)用的分析可知，GPS-RTK 測量技術(shù)具有便捷、節(jié)省人力等特點(diǎn)，在水文測量中有廣泛應(yīng)用空間。但是，受到該技術(shù)本身缺陷的影響以及水文測驗(yàn)規(guī)范要求，GPS-RTK 測量技術(shù)尚不能完全替代傳統(tǒng)手段，還需進(jìn)一步研究GPS-RTK 測量技術(shù)在水文測驗(yàn)中的應(yīng)用，為其更好地保證水文測量精度和質(zhì)量提供參考。