ＲＴＫ技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用

楊麗坤　李海軍

水下地形測量包括2部分:定位和水深測量。就目前的水下地形測量的主流技術(shù)而言,定位采用的是GPS衛(wèi)星定位法,而水深測量采用的是回聲測深儀的方法。本文結(jié)合某橋梁工程測量的實(shí)踐,闡述GPS RTK技術(shù)應(yīng)用于大范圍水下地形測量的基本原理、作業(yè)流程和技術(shù)要求。

RTK技術(shù)基本原理:在RTK作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站和流動(dòng)站保持同時(shí)跟蹤至少5顆以上的衛(wèi)星,基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和已知信息一起傳送給流動(dòng)站;流動(dòng)站將自己采集的GPS觀測數(shù)據(jù)和通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測方程并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,在運(yùn)動(dòng)中求解起始相位模糊度值,同時(shí)通過輸入相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),實(shí)時(shí)得到測點(diǎn)的三維坐標(biāo)及精度。

1 RTK水下地形測量的作業(yè)流程

1.1 收集測區(qū)的已知控制點(diǎn)資料進(jìn)入測區(qū)前首先收集測區(qū)的控制點(diǎn)資料,包括控制點(diǎn)的坐標(biāo)、等級(jí)、坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)等,調(diào)查了解控制點(diǎn)周圍地形和環(huán)境是否符合RTK基準(zhǔn)站的設(shè)置要求。根據(jù)測區(qū)大小、已知點(diǎn)密度及其分布情況,決定是否需要進(jìn)行控制點(diǎn)加密工作。

1.2確定測區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)GPS測量是在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行的,而工程項(xiàng)目一般采用北京54坐標(biāo)(或西安80坐標(biāo))或當(dāng)?shù)刈鴺?biāo),兩者之間存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。這里采用經(jīng)典的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換Bursa(布爾薩)七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。

實(shí)際工作中,在測區(qū)布設(shè)三等GPS控制網(wǎng)和四等水準(zhǔn)網(wǎng),沿河道防洪大堤均勻布設(shè)18個(gè)GPS控制點(diǎn)(平面和高程)和長達(dá)40 km的四等水準(zhǔn)線路。同岸相鄰兩GPS控制點(diǎn)的間距約為5 km。在確定轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí),有以下2點(diǎn):1)已知點(diǎn)在測區(qū)兩岸均勻分布,以有效控制測區(qū);2)為了提高精度,此項(xiàng)目選用3個(gè)以上的控制點(diǎn),利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù),通過多個(gè)點(diǎn)的匹配方案,選擇殘差較少、精度較高的1組參數(shù)為最終啟用參數(shù)。

1.3 基準(zhǔn)站的選定原則基準(zhǔn)站的安置是順利實(shí)施RTK作業(yè)的關(guān)鍵之一。基準(zhǔn)站安置應(yīng)滿足以下條件:1)基準(zhǔn)站設(shè)在有精確坐標(biāo)的已知點(diǎn)上;2)基準(zhǔn)站安置應(yīng)選擇地勢較高、無遮擋、電臺(tái)有良好覆蓋域的地方;3)為防止數(shù)據(jù)鏈的丟失和多路徑效應(yīng),基準(zhǔn)站周圍應(yīng)無GPS信號(hào)反射物,200 m范圍內(nèi)無高壓電線、電視臺(tái)、無線電發(fā)射臺(tái)等干擾源。

1.4 RTK施測步驟

步驟1,基站和流動(dòng)站的設(shè)置。首先在已知點(diǎn)上設(shè)置GPS基準(zhǔn)站,打開接收機(jī),輸入點(diǎn)號(hào)、天線高、WGS-84已知坐標(biāo),啟動(dòng)基準(zhǔn)站,發(fā)射RTK信號(hào)。設(shè)置電臺(tái)的通道和靈敏度,檢查電臺(tái)發(fā)射指示燈是否正常。然后啟動(dòng)GPS流動(dòng)站,首先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置,輸入轉(zhuǎn)換參數(shù),選擇與基準(zhǔn)站電臺(tái)相匹配的電臺(tái)頻率,檢查電臺(tái)接收指示燈是否正常,檢查接收衛(wèi)星顆數(shù)(≥4顆)。先檢測1～2個(gè)已知控制點(diǎn),評(píng)定測量精度。

步驟2,測深儀的檢測。用檢查板在測區(qū)內(nèi)進(jìn)行測深儀聲速測定,利用測定的聲速在不同水深處進(jìn)行實(shí)際水深與測深儀測深值的比較。準(zhǔn)確無誤后,校正測深儀的聲速,保證水深值的正確性。測深完成后用同樣的方法進(jìn)行檢查。確認(rèn)無誤后,安裝測深裝置,連接計(jì)算機(jī)接口,即可開始正式采集同步的三維數(shù)據(jù)。

步驟3,外業(yè)測量。水下地形點(diǎn)采用“Trimble 5700 GPS接收機(jī)RTK方式+中海達(dá)海洋測量軟件及電子數(shù)字測深儀”自動(dòng)采集水下地形點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程。在測船上將測深儀、GPS(流動(dòng)站)分別與便攜機(jī)通過傳輸電纜相連接,使用便攜機(jī)內(nèi)導(dǎo)航軟件保證測船在預(yù)定計(jì)劃線上行駛,并實(shí)時(shí)傳輸RTK作業(yè)數(shù)據(jù),使用測深儀數(shù)據(jù)與GPS同步自動(dòng)記錄。

1.5 內(nèi)業(yè)處理外業(yè)結(jié)束后,利用中海達(dá)隨機(jī)配套軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,形成所需要的測量結(jié)果。GPS接收機(jī)本身所測水面地形點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,H),其中x、y為北京54坐標(biāo)(x為北坐標(biāo),y為東坐標(biāo),H為GPS天線幾何中心高程)。因?yàn)槭瞧矫孀鴺?biāo),GPS所測得的水面點(diǎn)x和y坐標(biāo)即為水下地形點(diǎn)的平面坐標(biāo)x′和y′,水下地形點(diǎn)的高程H′=H-h-Zc(Zc為天線至水面的距離,h為測深儀所測水深),就得到水下地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x′,y′,H′),最后將坐標(biāo)文件導(dǎo)入繪圖軟件(如cass7.0)中,根據(jù)水底高程,繪制等深線。

2 精度分析

水下地形測量的精度包括平面的定位精度和水下地形點(diǎn)的高程測量精度。不考慮起始點(diǎn)誤差的影響,測量精度主要取決于以下3個(gè)方面。1)高程轉(zhuǎn)換精度:采用Bursa轉(zhuǎn)換模型,轉(zhuǎn)換精度可達(dá)到(2～3)cm。2)測量精度:Trimble5700RTK平面精度可達(dá)1 cm,高程精度可達(dá)2 cm。ODOM單頻測深儀精度為±1 cm±1‰水深。3)其他因素的影響:主要是風(fēng)浪引起測船的起伏和搖擺的影響。由于GPS天線與測深儀換能器之間聯(lián)桿的長度為一固定值,因此測深船的垂直起伏不會(huì)給水下地形測量的精度帶來影響;但測深船的搖擺會(huì)引起GPS天線與測深儀換能器之間聯(lián)桿的傾斜。

3 結(jié)束語

GPS RTK測量技術(shù)各觀測值都是獨(dú)立觀測,能達(dá)到厘米級(jí)的定位精度,既可以實(shí)時(shí)提供點(diǎn)位坐標(biāo)和高程,又可實(shí)時(shí)知道測量點(diǎn)位精度,極大地提高工作效率。

全球定位系統(tǒng)能較好地完成大面積水域地形測量。特別是在因氣候條件差,常規(guī)測量儀器難于完成的作業(yè)區(qū)域,可以充分發(fā)揮RTK快速和高精度定位的優(yōu)勢,來提高測量精度,減輕測量人員的內(nèi)、外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。■

(作者單位:鄭州工業(yè)貿(mào)易學(xué)校)