基于星站差分技術的近海三維無驗潮水深測量研究

王傳江,李海濤,陳四平,黃凱,唐立軍,魏振峰

(1.上海市測繪產品質量監督檢驗站,上海 200063; 2.上海市測繪院,上海 200063;3.上海祥陽水利勘測設計有限公司,上海 202150; 4.上海山南勘測設計有限公司,上海 201206)

0 引 言

上海近海水深測量成果的生產一般采用GNSS接收機定位加水深測量儀器測深等方法間接獲取,水下地形測量的特點是可追溯性較差,外業檢測需確定合適的方法和技術手段進行。例如上海市每年 8 000多平方公里灘涂水下地形測量項目,目前測量生產單位采用常規驗潮方式進行水位控制,采用水深測量儀器測設水深、大戢山差分信號等進行平面定位,采用驗潮模式,由于潮位控制范圍較小,工作量大,在佘山島等外海域由于已有的潮位站分布少,布局疏密不一,該區域驗潮水位控制的難度較大;生產單位為了解決該區域驗潮站少、水位較難控制等情況,通過拋設海上潮位計等方式進行水位控制,但還存在維護成本高、水位精度較難控制等情況。

本文研究采用星站差分技術應用于上海近海地區范圍水深測量成果的生產和檢驗工作的可行性,采用星站差分技術與測深儀器配合進行水深測量數據采集,再根據似大地水準面精化模型轉換為水準高程,完成三維無驗潮水深測量檢測,其精度受外界網絡環境等影響較少,平面、高程精度可滿足水深測量檢測精度要求,可以省去驗潮的工作步驟,減輕外業檢測的工作強度,提高工作效率,同時可以對生產單位驗潮方式的成果,特別是潮位較難控制區域的成果進行有效檢核。

1 星站差分

星站差分定位技術是把多種創新技術融合在一起,實現在地球表面的任何位置進行厘米級實時定位,星站差分定位支持BEIDOU、GLONASS、GPS、QZSS和Galileo等全部星座的衛星定位信號,從遍布全球的GNSS參考站得到的GNSS原始數據傳輸至數據處理中心,計算出用于全球任何位置GNSS差分改正的精確軌道、衛星時鐘和系統模型誤差,差分改正信息經由L波段衛星鏈路或互聯網傳輸到用戶端,基本架構如圖1所示。

圖1 架構圖

RTX星站差分目前提供的標準服務是水平精度 2 cm、垂直精度是 5 cm,與傳統RTK定位技術相比,RTX定位技術采用L波段衛星進行數據傳輸,在無網絡信號覆蓋或網絡信號不穩定的近海水域更具有優勢;由于采用的是全球參考框架下的穩定的跟蹤站,保證了精度和基準框架在全球高度統一,不會隨距離及不同時段的變化而變化,可全天候連續作業。

2 測試情況

2.1 星站差分與RTK比對測試

(1)概況

依托某無居民海島基礎調查(地形地貌)項目,采用星站差分、RTK分別在雞骨礁、情侶礁兩個測區海域進行無驗潮水深測量比對驗證,采用中海達IRK2 GNSS接收機進行1+1 RTK作業,采用具有星站差分功能的天寶R10接收機進行數據采集。測試實驗結合實際項目進行,專門制作了安裝2臺GNSS接收機的支架,2臺GNSS接收機設備安裝間距 0.288 m,支架設計示意圖如圖2所示。設備安裝在距船艏約三分之二處,以減小涌浪波動誤差影響,實際安裝如圖3所示。

圖2 支架設計示意圖

圖3 GNSS接收機實際安裝圖

(2)測試結果

采用RTK、星站差分2臺GNSS接收機采集數據,考慮RTK、星站差分的定位誤差以及數據采集距離間隔不一致(按等距方式采集數據,RTX接收機設置為 2.5 m,RTK接收機設置為5 m)等因素,取距離小于等于 0.5 m為比對重合點,計算改正至水面處的大地高較差,雞骨礁、情侶礁測區共比對重合點 3 718點,大地高較差及中誤差統計如表1所示。

表1 大地高較差及中誤差統計

雞骨礁、情侶礁測區比對點分布示意圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 雞骨礁測區比對點分布示意圖 圖5 情侶礁測區比對點分布示意圖

2.2 星站差分與驗潮比對測試

(1)概況

依托某灘涂水下地形測量項目,在測量船上架設星站差分功能接收機(如圖6所示),在長江南支、北支水域進行水面大地高的采集,采用海域似大地水準面精化模型轉換得到水面處的水準高程,并與驗潮方式推算的水面高程進行比對驗證。

圖6 安裝星站差分接收機的測量船

(2)測試結果

按傳統潮位改正方式和星站差分無驗潮方式處理數據,分別求得測點的水面高程,計算兩種結果的水面高程較差,在長江南支、北支水域共比對 6 324點,星站差分與驗潮的水準高程較差及中誤差統計如表2所示。

表2 水準高程較差及中誤差統計

根據表1及表2,本次測試驗潮與無驗潮的中誤差之差在 10 cm左右,其誤差包含了驗潮的水位控制、浪涌、RTK高程測量及高程轉換誤差等。無驗潮水深測量由于無水位控制測量誤差、動吃水誤差等影響,獲得實時水位,相較于驗潮方式具有一定優勢。

在長江南支、北支水域,星站差分與驗潮方式的比對點分布如圖7所示。

圖7 比對點分布示意圖

3 結 語

通過在上海近海水域采用星站差分與驗潮、RTK方式水深測量的比對測試,以及對測試數據結果的分析,有以下結論和展望:

(1)根據上述測試數據結果分析,采用星站差分三維無驗潮方式的水深測量精度可滿足現行相關規范精度要求。

(2)與RTK方式相比,采用星站差分技術進行三維無驗潮模式的水深測量,可擴展水深測量工作范圍,在無網絡信號覆蓋水域更具有優勢。

(3)與傳統驗潮方式相比,采用星站差分進行水深測量成果的生產,可節省大量驗潮工作量,簡化外業檢測的工作強度,在平面精度、工作效率等方面均有顯著的提高,對驗潮方式水深測量成果的質量控制提供了一種外業檢測驗證手段。

(4)在相關部門的海域水準面模型對外提供服務后,基于星站差分技術的水深測量成果生產,在信號覆蓋范圍、時間成本控制等方面較傳統驗潮、RTK等其他方式均有一定的優勢,對類似項目可借鑒參考。