利用GNSS-RTK對舟山桃花島灘涂高精度測量應用

張煒，鄭紅

摘 要：GNSS-RTK技術已經融入海洋測繪體系中，成為海岸地形測量的常規技術，其測量精度高，操作簡單，便捷實用。本文主要內容是利用GNSS-RTK技術測量舟山桃花島塔灣金沙景區沙灘灘面寬度，長度和潮間帶坡度計算以及坡面圖的繪制，同時在GNSS-RTK測量值內業計算上，運用拉依達法則剔除粗大誤差，提高測量精度，以此為海岸地形測量發展提供實驗支撐。

關鍵詞：海洋測繪;GNSS-RTK;灘涂測量;坡面圖;坡度

中圖分類號：P229 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）12-0042-03

海洋測繪[1]作為測繪學的分支，主要的研究對象是占地球總面積的71%的海洋區域以及在陸地上的水域部分為研究目標，其主要的研究項目為海洋及大陸的水域的地理空間位置，以及隨著時間的推移，各項地理參數的變化。海洋測量技術在近十多年有了顯著的提高，在新的海洋測繪體系中，融合和吸收了大量的其他相關學科的理論和技術，如航空航天技術，通信技術、計算機技術，天文學、海洋學等等，不同學科的相互作用與促進，產生了更為先進的海洋測量技術。

隨著海洋技術的不斷發展，GNSS技術[2，3]已經廣泛應用于海洋測量中，GNSS-RTK是一種嶄新的技術，它給海岸地形測量作業方法帶來質的變化，特別是在大面積灘涂不方便建立控制的區域更具有優越性，它對海洋測量的自動化有著重要的作用。

本文提出基于GNSS-RTK技術在沿海區域測量上的研究，GNSS技術是具備快捷的定位速度，全天候作業，實時性和作業模式便捷等長處。該技術應用領域已經在大陸廣泛使用，根據全球衛星導航系統定位技術的研究趨勢，測量精度一直在提高，目前的精度可達厘米級，在沿海以及近海測量的作業也越來越通暢。本文以舟山桃花島塔灣金沙景區為例，基于GNSS-RTK技術對沙相的長寬度測量，以及潮間帶區域的坡面圖繪制和坡度計算的應用。在外出作業時可以明顯感覺到GNSS-RTK測量的便捷性和實時性以及穩定性。因此利用GNSS-RTK技術測量沿岸灘涂地形能夠為高精度灘涂地形測量提供實驗支撐。

1 原理方法

1.1GNSS-RTK基本原理

RTK技術指的是GNSS技術中的利用載波相位觀測測量，基于差分定位技術的一種新型技術，目前，RTK技術測量的精度可達厘米級，現如今采用的RTK技術的主要有GNSS-RTK和GPS-RTK，兩者的區別在于衛星信號的不同。原理如圖1所示，首先需在合適的位置上放置基準站（網絡RTK無需自己設置基站，本文采用網絡RTK），移動流動站的位置根據實際測量需要移動，通過在基準站已知點的坐標關系，通過基準站與流動站距離的差分（L3）來解算流動站三維坐標。利用基準站與流動站同步觀測的原理，來消弱具有相關性的誤差。

圖1 ?GNSS-RTK工作原理圖

1.2測量值內誤差處理方法

在GNSS-RTK測量值內業計算上，由于在實際作業中對每個點需進行多次測量，故采用拉依達法則[4]剔除粗大誤差對數據進行處理。

首先將測量數據以平面直角坐標形式導出，求得每組數據的x方向、y方向和H方向的平均值，以及殘余誤差v，i為第i個單點，為某點的第i個歷元的觀測值，n為一個測量點的觀測次數。

（1）

根據中誤差的貝塞爾公式：

（2）

m是中誤差，由于工程測量規范的規定，內精度的誤差擁有一個極限值，這個限值值稱為極限誤差。通常我們以三倍中誤差作為這個限值，公式如下：

（3）

根據實際測量需求的不同，精度要求較高時，也可采取2倍中誤差作為極限誤差。本文仍采用三倍極限誤差為標準。在測量工作中，當出現的誤差超過極限誤差，就可以將它當作是粗差，應將其剔除，再將符合內精度要求的觀測值取平均作為測量點。

2 作業區概況以及作業準備

作業區位于舟山桃花島，測量區域是塔灣金沙景區，作業內容是：對這塊區域進行長寬度的測量、潮間帶的坡面圖繪制以及坡度的計算。

主要設備儀器是華測公司的GNSS-RTK定位設備，以及計算機來做內業計算。另外設置手薄坐標系參數，本次實驗采用CGCS2000坐標系，中央經線定位122.5度。GNSS-RTK工作模式為網絡RTK技術中的CORS工作模式，測量時對每個測量點觀測次數為100次。

3 區域測量[5]

根據拉依達法則，需對每個點的觀測數據進行粗大誤差排除，故下圖2為塔灣金沙景區沙灘測量并經過數據處理符合內精度要求的35個測量點（導入到谷歌衛星地圖中），測量點以圓點表示。

將所有測量數據導入到ArcGIS[6，7]中，由圖2可知，所測量的點大致分為三大類：第一類為植被點數據，即最靠近沙灘的植被為測量點;第二類為高潮位點，即以當時的海浪的高潮時刻為測量點，在找尋點時可以海浪沖刷在沙灘的殘留物為判斷依據;第三類為低潮位點，即以海浪的低潮時刻為測量點，在尋找點時可以查詢潮汐網站來判斷最低潮時刻。經過計算，圖形左側邊界點與植被點的連線長度約為1195.16m，圖形上側植被點與低潮位點的連線長度為732.39m，圖形右側兩個低潮位點間的連線長度為1418.69m，圖形下側低潮位點與邊界點的連線長度為32.81m。四條連線勾勒出閉合沙相區域，完成沙相長寬度測量要求，并且可以利用ArcGIS進一步求取沙相區域面積，本文未計算。

利用高潮位點和低潮位點的測量數據，通過克里金差值方法，差值出潮間帶的坡面圖如圖3所示。圖中各類顏色代表著不同的大地高，從圖2，圖3中可知，有四組高潮位點與低潮位點的聯測，聯測點的連線應盡量海浪線相垂直。聯測點間長度從圖形中從上往下依次為68.49m、69.13m、63.81m和83.95m。從圖3中可以看出測量出數據的四條直線所在的坡面坡度都比較接近，由此選取其中一對數據來計算坡度如圖所示，兩點之間的高度差是兩點的大地高差等于2.42m，兩點的直線距離就是兩個坐標的經緯度之間的距離，直線距離為69.13m。如圖4，因此坡度約為1：28.57。

4 測量點誤差分析

將該區域測量點觀測值誤差依據拉依達法則（三倍極限誤差[8，9]）并通過Matlab計算分析[10，11]，分析結果如下表1。沙相35個測量點中有9個測量值平面點出現粗大誤差，12個測量值高程點出現粗大誤差，舍去這些粗大誤差點，再取該測量點剩余觀測值做平均，得到最終測量值。目的是減少由于人工操作不當造成的誤差，提高測量精度。

表1 測量點誤差分析

5 結論

本文介紹了GNSS-RTK的基本原理，以及基于RTK技術中的CORS作業方式，因其測量精度高，便捷，為現代測量技術的主流方法。本文通過GNSS-RTK技術在舟山桃花島灘涂高精度測量應用的實驗，為海洋灘涂測量技術發展做實驗支撐。在灘涂測量中，利用GNSS-RTK的測量點數據可以模擬出待測區的三維坡面圖以及在實際應用中對沙相坡度值點的選取都進行了分析。本實驗不足之處在于測量點數據的不足導致三維坡面圖的精度下降，經考慮可以通過乘坐氣墊船的方法在低潮位點測量來增加測量點數據，提高插值精度以及作業效率。

參考文獻：

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[7] 牟乃夏.ArcGIS 10地理信息系統教程-從初學到精通[M].北京：測繪出版社，2012

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[11] 周建興.MATLAB從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2012.06