RTK在水深測量中的應用

劉志華

摘 要：本文介紹了RTK技術在水深測量上的基本原理、基本作業(yè)步驟和影響水深測量精度的幾種因素及相應對策。

關鍵詞：RTK 水深測量 精度影響因素

RTK 定位技術簡介

實時動態(tài)（ RTK） 定位技術就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術， 它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不到一秒鐘。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知數(shù)解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結(jié)果，從而減少冗余觀測， 提高工作效率。它是GPS測量技術發(fā)展的一個新突破，在測繪、交通、能源、城市建設等領域有著廣闊的應用前景。

RTK配合測深儀和相應的測量軟件可以用于水深測量，以往的水深測量多采用交會定位，故測量工作受氣象的影響較大，精度難以保證，測量工作難度大，外業(yè)測量人員也很艱苦，且成圖時間長。使用GPS技術后，這些困擾水上測量工作的問題就迎刃而解了。隨著GPS技術的不斷發(fā)展，特別是RTK技術的出現(xiàn)，使得RTK無驗潮水深測量成為可能。大大減少了測量人員的勞動強度，自動化程度高，省工省時，精度高，全天候，提高了工作效率，使工程變得更經(jīng)濟。

RTK無驗潮水深測量的基本原理和優(yōu)缺點

1、基本原理

RTK是現(xiàn)代DGPS測量模式的一種，當前RTK的定位精度普遍為：平面10mm+1ppm，高程20mm+1ppm， 其高程精度可用于實時潮位解算，從而實現(xiàn)無驗潮水深測量。其水下地形測量的方法、原理與DGPS相同，唯有不同的是RTK能夠在極短的時間內(nèi)完成平面定位、實時潮位解算，通過計算機與測深儀同步采集數(shù)據(jù)，以達到水下地形三維坐標測量目的，實現(xiàn)無驗潮水下地形測量。RTK高程結(jié)合由測深儀同步測得的水深換算出同一平面位置上的水下泥面的高程或水深值，從而獲得水下地形數(shù)據(jù)，其基本原理如下：

如圖所示：設h為 RTK天線到水面高度，Z0為測深儀換能器吃水深度，Z為換能器到水下地形表面測點的水深。Zm為繪圖水深，H為RTK測得的天線位置高程，S為水位。則：

水位S=H-h

Zm=水面高-水位=（Z+Z0）–S =（Z+Z0）-（H-h）

當水面由于潮水或者波浪升高時，H增大，相應地Z也增加相同的值，根據(jù)上面公式Zm值將不受影響。因此從理論上講，RTK無驗潮測深將消除波浪和潮位的影響，是一種理想的水上測量方法。

2、RTK無驗潮水下地形測量的優(yōu)劣性

與傳統(tǒng)的驗潮法相比，無驗潮水下地形測量具有如下優(yōu)勢：①無須驗潮數(shù)據(jù)，減少工作量。驗潮法需要專門的人員測量水位或者到相關部門獲取測量時段的水位數(shù)據(jù)。無驗潮法只需在采集水深的同時在同一臺電腦上采集GPS三維數(shù)據(jù)，這樣起碼可以減少一個讀水尺的工作人員，還不須建一個或多個驗潮站。②每個水位都同步、精確，提高精度。GPS高程數(shù)據(jù)更新速度達10Hz，每個水深點都對應精確的水位值，無須內(nèi)插或外推整個區(qū)域的水位。③減少浪涌等引起的誤差。驗潮法測量中由于浪涌影響，探頭上下起伏使得測得的水深有瞬時誤差，在最終的數(shù)據(jù)中無法消除。而無驗潮法是通過GPS天線高程來推算水下高程的，天線與探頭的相對位置固定，無論船怎樣上下波動都不會改變處理后的水下高程。④數(shù)據(jù)處理方便、快捷。由于所有的數(shù)據(jù)都采集到一個文件中，并且存在計算機中，減少獲取和編輯潮位數(shù)據(jù)的時間，即時能進行后處理，編輯水下地形圖或斷面圖。

另一方面，相對而言無驗潮水下地形測量的缺點是：必須用RTK型接收機，這種接收機價格相對高一些。利用無驗潮技術進行水深測量，使得水深測量這項工程變得簡單、方便、快捷、輕松、高效，所以不失為一種先進的測量技術，值得在航道水深測量乃至其它水下地形測量中推廣。

RTK水深測量的基本作業(yè)步驟

根據(jù)多年的港口航道疏浚測量經(jīng)驗，水深測量的作業(yè)系統(tǒng)主要由GPS接收機、數(shù)字化測深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和便攜式計算機及海洋測量軟件等組成。測量作業(yè)分三步來進行，即測前的準備、外業(yè)的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)的后處理。

1、測前的準備

1.1 求RTK的轉(zhuǎn)換參數(shù)

將GPS基準站架設在已知點A上，設置好參考坐標系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、發(fā)射間隔及最大衛(wèi)星使用數(shù)，關閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)，輸入基準站坐標（該點的單點84坐標）后設置為基準站。將GPS移動站架設在已知點B上，設置好參考坐標系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、接收間隔，關閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)后，求得該點的固定解（84坐標）。通過A、B兩點的84坐標及當?shù)刈鴺?，求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。

施工中所用轉(zhuǎn)換參數(shù)都為七參數(shù)，這些參數(shù)全部體現(xiàn)在采集手簿上。校正參數(shù)是一個核心的內(nèi)容，它是通過一個已知點來校正，求出WGS84坐標系統(tǒng)的坐標值與實際應用坐標值的三維差值，即△X、△Y、△H。校正參數(shù)從原理上說參考站每次開機都需要重新校正，如果參考站架設在同一地點，且每次開機發(fā)射的WGS84坐標都已經(jīng)通過設置來固定，那么校正參數(shù)就不需要再重新求。

1.2 建立任務，作計劃線

設置好坐標系、投影、一級變換及圖定義。建立測量任務，作好計劃線，在測區(qū)圖幅上布設測量斷面，也可以對原布設斷面進行加密，使其達到《水運工程測量規(guī)范》對所測設的工程項目斷面間距的要求。

2、外業(yè)的數(shù)據(jù)采集和后處理endprint

設立基準點，求轉(zhuǎn)換參數(shù)，外業(yè)施測前，需在基準點上架設基準站，保持基準站坐標不變。

將GPS接收機、數(shù)字化測深儀和便攜電腦等連接好，打開電源。設置好記錄設置、定位儀和測深儀接口、接受機數(shù)據(jù)格式、測深儀配置、天線偏差改正及延遲校正后，即可進行測量外業(yè)工作。

影響水深測量精度的幾種因素及對策

在實際的使用無驗潮方式進行水深測量時，扣除外在影響以及人為因素外對測量結(jié)果精度產(chǎn)量影響的因素主要有船體的搖擺、采樣速率、同步時差及RTK高程的可靠性等因素造成的誤差的影響，這些誤差遠遠大于RTK定位誤差，從而成為無驗潮方式水深測量精度提高的瓶頸因素。

1、船體搖擺姿態(tài)的修正

船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)，通過專用的測量軟件接入進行修正。

2、采樣速率和延遲造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時采集的精度和密度，現(xiàn)在大多數(shù)RTK GPS都可以最高輸出率達20HZ，而測深儀的輸出速度各種品牌差別很大，數(shù)據(jù)輸出的延遲也各不相同。因此，定位數(shù)據(jù)的定位時刻和水深數(shù)據(jù)的測量時刻的時間差造成定位延遲。對于這項誤差可以在延遲校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返測量結(jié)果計算得到，也可以采用以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

3、RTK高程可靠性的問題

RTK高程用于測量水深，其可信度問題是倍受關注的問題。在作業(yè)之前可以把使用RTK測量的水位與人工觀測的水位進行比較，判斷其可靠性，實踐證明RTK高程是可靠的。為了確保作業(yè)無誤，可從采集的數(shù)據(jù)中提取高程信息繪制水位曲線（由專用軟件自動完成）。根據(jù)曲線的圓滑程度來分析RTK高程有沒有產(chǎn)生個別跳點，然后使用圓滑修正的方法來改善個別錯誤的點。

結(jié)束語

利用RTK技術進行無驗潮水深測量，可以有效減少潮位對測量成果的影響，非常適合潮位變化復雜、建立水位站困難的地方應用，可以大大提高工作效率及成果質(zhì)量。它不受人為因素的影響。整個作業(yè)過程全由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預處理、自動平差計算。它可以極大地降低勞動作業(yè)強度，減少工作量，提高作業(yè)效率。一般GPS測量作業(yè)效率為常規(guī)測量方法的3倍以上。在港口航道工程的相關工程陸域測量中，也可以直接運用RTK進行實地實時放樣、點位測量、導線控制測量等。利用RTK技術進行水深測量，使得水深測量這項工作變得簡單、方便、快捷、輕松、高效、經(jīng)濟。

參考文獻：

[1]胡家明編譯，水上測量新技術，人民交通出版社，北京，1984年11月。

[2]關子安，關棟材，水利工程測量，測繪出版社，北京，1993年11月。

（作者單位：長江南京航道工程局）endprint

設立基準點，求轉(zhuǎn)換參數(shù)，外業(yè)施測前，需在基準點上架設基準站，保持基準站坐標不變。

將GPS接收機、數(shù)字化測深儀和便攜電腦等連接好，打開電源。設置好記錄設置、定位儀和測深儀接口、接受機數(shù)據(jù)格式、測深儀配置、天線偏差改正及延遲校正后，即可進行測量外業(yè)工作。

影響水深測量精度的幾種因素及對策

在實際的使用無驗潮方式進行水深測量時，扣除外在影響以及人為因素外對測量結(jié)果精度產(chǎn)量影響的因素主要有船體的搖擺、采樣速率、同步時差及RTK高程的可靠性等因素造成的誤差的影響，這些誤差遠遠大于RTK定位誤差，從而成為無驗潮方式水深測量精度提高的瓶頸因素。

1、船體搖擺姿態(tài)的修正

船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)，通過專用的測量軟件接入進行修正。

2、采樣速率和延遲造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時采集的精度和密度，現(xiàn)在大多數(shù)RTK GPS都可以最高輸出率達20HZ，而測深儀的輸出速度各種品牌差別很大，數(shù)據(jù)輸出的延遲也各不相同。因此，定位數(shù)據(jù)的定位時刻和水深數(shù)據(jù)的測量時刻的時間差造成定位延遲。對于這項誤差可以在延遲校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返測量結(jié)果計算得到，也可以采用以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

3、RTK高程可靠性的問題

RTK高程用于測量水深，其可信度問題是倍受關注的問題。在作業(yè)之前可以把使用RTK測量的水位與人工觀測的水位進行比較，判斷其可靠性，實踐證明RTK高程是可靠的。為了確保作業(yè)無誤，可從采集的數(shù)據(jù)中提取高程信息繪制水位曲線（由專用軟件自動完成）。根據(jù)曲線的圓滑程度來分析RTK高程有沒有產(chǎn)生個別跳點，然后使用圓滑修正的方法來改善個別錯誤的點。

結(jié)束語

利用RTK技術進行無驗潮水深測量，可以有效減少潮位對測量成果的影響，非常適合潮位變化復雜、建立水位站困難的地方應用，可以大大提高工作效率及成果質(zhì)量。它不受人為因素的影響。整個作業(yè)過程全由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預處理、自動平差計算。它可以極大地降低勞動作業(yè)強度，減少工作量，提高作業(yè)效率。一般GPS測量作業(yè)效率為常規(guī)測量方法的3倍以上。在港口航道工程的相關工程陸域測量中，也可以直接運用RTK進行實地實時放樣、點位測量、導線控制測量等。利用RTK技術進行水深測量，使得水深測量這項工作變得簡單、方便、快捷、輕松、高效、經(jīng)濟。

參考文獻：

[1]胡家明編譯，水上測量新技術，人民交通出版社，北京，1984年11月。

[2]關子安，關棟材，水利工程測量，測繪出版社，北京，1993年11月。

（作者單位：長江南京航道工程局）endprint

設立基準點，求轉(zhuǎn)換參數(shù)，外業(yè)施測前，需在基準點上架設基準站，保持基準站坐標不變。

將GPS接收機、數(shù)字化測深儀和便攜電腦等連接好，打開電源。設置好記錄設置、定位儀和測深儀接口、接受機數(shù)據(jù)格式、測深儀配置、天線偏差改正及延遲校正后，即可進行測量外業(yè)工作。

影響水深測量精度的幾種因素及對策

在實際的使用無驗潮方式進行水深測量時，扣除外在影響以及人為因素外對測量結(jié)果精度產(chǎn)量影響的因素主要有船體的搖擺、采樣速率、同步時差及RTK高程的可靠性等因素造成的誤差的影響，這些誤差遠遠大于RTK定位誤差，從而成為無驗潮方式水深測量精度提高的瓶頸因素。

1、船體搖擺姿態(tài)的修正

船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)，通過專用的測量軟件接入進行修正。

2、采樣速率和延遲造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時采集的精度和密度，現(xiàn)在大多數(shù)RTK GPS都可以最高輸出率達20HZ，而測深儀的輸出速度各種品牌差別很大，數(shù)據(jù)輸出的延遲也各不相同。因此，定位數(shù)據(jù)的定位時刻和水深數(shù)據(jù)的測量時刻的時間差造成定位延遲。對于這項誤差可以在延遲校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返測量結(jié)果計算得到，也可以采用以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

3、RTK高程可靠性的問題

RTK高程用于測量水深，其可信度問題是倍受關注的問題。在作業(yè)之前可以把使用RTK測量的水位與人工觀測的水位進行比較，判斷其可靠性，實踐證明RTK高程是可靠的。為了確保作業(yè)無誤，可從采集的數(shù)據(jù)中提取高程信息繪制水位曲線（由專用軟件自動完成）。根據(jù)曲線的圓滑程度來分析RTK高程有沒有產(chǎn)生個別跳點，然后使用圓滑修正的方法來改善個別錯誤的點。

結(jié)束語

利用RTK技術進行無驗潮水深測量，可以有效減少潮位對測量成果的影響，非常適合潮位變化復雜、建立水位站困難的地方應用，可以大大提高工作效率及成果質(zhì)量。它不受人為因素的影響。整個作業(yè)過程全由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預處理、自動平差計算。它可以極大地降低勞動作業(yè)強度，減少工作量，提高作業(yè)效率。一般GPS測量作業(yè)效率為常規(guī)測量方法的3倍以上。在港口航道工程的相關工程陸域測量中，也可以直接運用RTK進行實地實時放樣、點位測量、導線控制測量等。利用RTK技術進行水深測量，使得水深測量這項工作變得簡單、方便、快捷、輕松、高效、經(jīng)濟。

參考文獻：

[1]胡家明編譯，水上測量新技術，人民交通出版社，北京，1984年11月。

[2]關子安，關棟材，水利工程測量，測繪出版社，北京，1993年11月。

（作者單位：長江南京航道工程局）endprint