RTK三維水深測量在感潮河段航道測量中的應(yīng)用

劉永躍

摘 要：本文簡要介紹了GPS-RTK三維水深測量方法的原理，在長江下游航道測量中的應(yīng)用，總結(jié)了GPS-RTK三維水水深測量技術(shù)在具體工作中的應(yīng)用方法并驗(yàn)證其正確性與可靠性。分析了RTK三維水深技術(shù)相比于傳統(tǒng)水下地形測量的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：航道測量 RTK三維水深測量技術(shù) GPS RTK 基站

1.水下地形測量基本原理

1.1 RTK三維水深測量原理

如圖1所示，RTK三維水底地形測量系統(tǒng)的基本原理是：利用GPS實(shí)時相位差分（RTK）實(shí)時測得的GPS天線精確的三維坐標(biāo)（x，y，h），結(jié)合由測深儀同步測得的換能器至海底的深度H1 ，將由GPS測得的天線高 h換算到同一平面位置上的水下泥面標(biāo)高H。通俗的講，RTK三維水深測量就是測深儀測得水深減去RTK潮位，潮位是GPS天線到水準(zhǔn)面高減去天線到水面的高；如果是求高程的，就用RTK潮位減去水深。

換算公式如下：

H=h-ΔH1-ΔH2

式中：ΔH2為聯(lián)結(jié)GPS天線與測深儀換能器的聯(lián)桿長。由于GPS接收儀與測深儀的數(shù)據(jù) 采集同步進(jìn)行。因此在上述的測量過程中，無須對水面高程進(jìn)行測定，即無需看水位。

1.2 高程計算

GPS-RTK 三維水深測量技術(shù)，其水底測點(diǎn)的 高程值計算公式如下：

H = hgps - h1- h2

式中：H 是測點(diǎn)高程；

hgps 是GPS相位中心高程；

h1是GPS相位中心至測深儀換能器底部的高度；

h2是換能器底部至水底測點(diǎn)的水深值。

當(dāng)需要計算測點(diǎn)相對當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵娴乃钪禃r，計算公式如下：

H水深= H85-H測點(diǎn)

式中：H水深是測點(diǎn)水深

H85是1985 國家高程基準(zhǔn)至理論基面的高差（向上為正）

H測點(diǎn)是觀測點(diǎn)85高程值

基于以上方法，我們首先將實(shí)測數(shù)據(jù)整理成采用 1985 國家高程基準(zhǔn)表示的測點(diǎn)高程，再將“理基差”減去測點(diǎn)高，得到測點(diǎn)水深值。

1.3 坐標(biāo)系統(tǒng)

使用RTK技術(shù)可以達(dá)到精度為2～3cm的平面和高程定位結(jié)果，但這一精度是相對于基準(zhǔn)站的，換句話說，基準(zhǔn)站的平面和高程基準(zhǔn)及其精度直接影響RTK三維測量方法結(jié)果的精度。因此必須正確選擇基準(zhǔn)站的平面和高程基準(zhǔn)。

RTK三維水底地形測量方法對平面基準(zhǔn)的要求和其他測量工作方法是相同的，但高程系統(tǒng)；由于工程項(xiàng)目的設(shè)計要求不同，可能有所不同。如采用平均海水面、最低潮位面等。這就需要將GPS測量的高程轉(zhuǎn)換到設(shè)計要求的系統(tǒng)中，在小范圍（<3km）可以采用平面方法，將GPS高程系統(tǒng)的高程平移到設(shè)計高程系統(tǒng)中。

2.航道維護(hù)測量中的應(yīng)用

2.1測區(qū)概況

上海航道處轄區(qū)負(fù)責(zé)（江陰黃田港至太倉瀏河口）長江下游河段維護(hù)工作，干線全長 135.4km，江面開闊，航運(yùn)及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。由江陰、福姜沙、瀏海沙、南通、通州沙、白茆沙、瀏河水道、以及北支水道共八個水道組成。每年的航道維護(hù)測量及相關(guān)測量業(yè)務(wù)繁忙。

2.2基準(zhǔn)站的建立和使用

因?yàn)楹降罍y量是長期的，目前長江網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不全，我處轄區(qū)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，通過建網(wǎng)組成測區(qū)控制點(diǎn)網(wǎng)，計算測區(qū)的七參數(shù)，并建立GPS基站。一般站點(diǎn)的信號在10公里以內(nèi)，根據(jù)儀器性能和測區(qū)環(huán)境，目前能達(dá)到15公里。建網(wǎng)后使用測區(qū)江蘇CORS基站點(diǎn)與基準(zhǔn)站組網(wǎng)復(fù)測，以確定基準(zhǔn)站是否有位移，保證基準(zhǔn)站的坐標(biāo)正確性。基線解算及網(wǎng)平差數(shù)據(jù)處理中，選測區(qū)周圍四個JSCORS點(diǎn)與其聯(lián)測，四個點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)由JSCORS數(shù)據(jù)中心提供。基線解算及網(wǎng)平差數(shù)據(jù)處理采用天寶TBC（Trimble Business Center）軟件，其中用到精密星歷由德國GNSS數(shù)據(jù)中心提供。

基線結(jié)算中水平中誤差最大4mm，最小1mm，平均3mm，高程中誤差最大12mm，最小9mm，平均11mm，符合C級網(wǎng)要求，網(wǎng)平差采用擬穩(wěn)平差的方法，分別選取不同JSCORS點(diǎn)作為WGS84起算點(diǎn)，檢驗(yàn)其它解算點(diǎn)的精度。

2.3 測前準(zhǔn)備

2.3.1 儀器設(shè)備及成圖軟件準(zhǔn)備

作業(yè)采用天寶SPS855 接收機(jī)、HY-1601 測深儀、HY-1200 聲速剖面儀、清華山維 EPS 軟件、HYPACK數(shù)據(jù)處理軟件。

2.3.2 測線布設(shè)

水下地形測量采用橫斷面法施測。在測量前布設(shè)好橫斷面線（簡稱：計劃線）。計劃線布設(shè)滿足如下要求：①計劃線的布設(shè)方向基本垂直于主泓等深線或岸線。測點(diǎn)間距為圖上5m m。②檢查線布設(shè)方向應(yīng)基本滿足與計劃線正交原則。檢查線的總長度不低于計劃線總長度的5%。③特征地貌水域計劃線應(yīng)加密，其加密原則應(yīng)滿足全面反映特征地物的需要。

2.3.3 軟件安裝調(diào)試

（1）GPS調(diào)試：要求選用雙頻測量型的，配置好GPS接收機(jī)的相應(yīng)參數(shù)，如采樣率，高度角，斷口輸出等。

（2）軟件設(shè)置：建立任務(wù)端口配置等把GPS和測深儀數(shù)據(jù)連接到軟件，同時設(shè)置坐標(biāo)系等：如橢球、轉(zhuǎn)換，以及對采集數(shù)據(jù)的一些參數(shù)。

2.4 實(shí)地測量

測量步驟：①儀器安裝；②平面定位；③參數(shù)設(shè)置；④檢查測深線。

2.5 內(nèi)業(yè)處理

2.5.1 水深改正

由于吃水改正、轉(zhuǎn)速改正及聲速改正已在測量現(xiàn)場完成，故內(nèi)業(yè)資料整理計算時對計算機(jī)記錄的水深值與測深儀記錄紙上的模擬水深值進(jìn)行100%對比檢查，糾正各種偽水深值，并對比較明顯的水深變化特征點(diǎn)進(jìn)行挑選摘錄，以保證測深精度并如實(shí)反映水下地貌。

2.5.2 測深延時校正

本項(xiàng)目采用RTK三維方法進(jìn)行水深測量，由于定位系統(tǒng)與測深系統(tǒng)存在時間上的不同步，會產(chǎn)生系統(tǒng)性的延時誤差；特別是當(dāng)船速越快時延時誤差越明顯。因此在水深測量之前我們需要進(jìn)行延時改正，減小延時對水深測量的影響。

2.5.3 資料后處理數(shù)據(jù)處理流程

打開原始數(shù)據(jù)——錯誤水深剔除——GPS差分狀態(tài)檢查——數(shù)據(jù)抽稀轉(zhuǎn)換——成圖。

2.5.4內(nèi)業(yè)成圖

絕對高程圖采用1985國家高程基準(zhǔn)作為繪圖基面；采用理論最低潮面作為繪圖基面。在成圖軟件中直接進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)的展點(diǎn)，對照測深記錄，在已經(jīng)勾繪等高線基礎(chǔ)上，剔除水深數(shù)據(jù)的粗差，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。依據(jù)處理后的數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)際情況繪制圖及內(nèi)業(yè)成圖。

3.RTK三維法正確性檢驗(yàn)

為確定系統(tǒng)的平面及GPS測定高程的正確性，在系統(tǒng)設(shè)置完成后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行陸上檢測。檢測結(jié)果如表1。

表1中，前兩列表示觀測站與參考站名稱，后兩列表示坐標(biāo)誤差，可以看出RTK三維水深測量誤差是厘米級精度，完全滿足水下地形測量要求。

4.RTK三維法與傳統(tǒng)方法比較

（1）數(shù)據(jù)處理方便、快捷。（2）操作方便、自動化，作業(yè)效率高。（3）無需驗(yàn)潮數(shù)據(jù)，減少工作量。（4）測量精度高，數(shù)據(jù)安全可靠。（5）尤其是不好觀測潮位的地方，且水位精度要高，同時提高了測量效率和人員安全。（6）缺點(diǎn)是必須用RTK，相對來說設(shè)備價格高，配制設(shè)備多。（7）個別地方信號會受到地點(diǎn)和時間段的干擾影響。

5.結(jié)論

本文通過對 GPS-RTK三維水深測量原理的介紹，論證了其在航道維護(hù)測量中的應(yīng)用，并證實(shí)其具有獨(dú)特的優(yōu)越性。隨著GPS-RTK技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS-RTK所得到的數(shù)據(jù)更加可靠，精度更高，滿足各種需求，已經(jīng)相應(yīng)設(shè)備的費(fèi)用降低，應(yīng)用領(lǐng)域大大提高，尤其是相比于傳統(tǒng)方式極大地減少勞動力并且提高效率，逐步完善GPS基站使得航道維護(hù)測量變得更加輕松、高效，完成日常航道維護(hù)測量的要求，并提供社會其他相關(guān)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，王澤民.GPS 衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用[M].武漢測繪科技大學(xué)出版社，1998.

[2]胡家明.水上測量新技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，1984.