基于CORS的RTK與數(shù)字測(cè)深集成技術(shù)在水下測(cè)量中的應(yīng)用

張興國(guó) ，吳大鵬，王洪

(1.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)南 250013; 2.福建工程學(xué)院，福建福州 350108)

1 前言

城市建設(shè)中，為了提高城市的防洪、蓄洪和航運(yùn)能力，要疏浚河道、整治航道，需要進(jìn)行水下地形測(cè)量。同樣興建港口、水上運(yùn)輸、海上采油、海域劃界、海戰(zhàn)保障、海底地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、地球動(dòng)力研究等都需要進(jìn)行水下地形測(cè)量。總之，水下地形測(cè)量在航道、港口、水利、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

RTK與數(shù)字測(cè)深技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)時(shí)獲取水下三維信息和實(shí)現(xiàn)水下地形測(cè)繪自動(dòng)化提供了條件。應(yīng)用基于CORS的RTK測(cè)量技術(shù)不但可以進(jìn)行平面位置的精確定位，而且還可用來(lái)進(jìn)行水面高程的實(shí)時(shí)確定，通過(guò)測(cè)深儀測(cè)得水深，進(jìn)而求得水底高程。

采用這種方法確定的水底高程精度較高，大大提高了工作效率，且自動(dòng)化程度很高。

2 工程概況

小清河干流綜合治理工程是結(jié)合南水北調(diào)東線膠東輸水干線工程及濟(jì)南市城市總體規(guī)劃，配套景觀、生態(tài)、旅游休閑、交通等工程建設(shè)項(xiàng)目，建成集多種功能于一體的城市景觀河道。綜合治理工程主要由防洪除澇、景觀、交通、通航、治污、補(bǔ)水和其他各項(xiàng)市政設(shè)施等七部分組成，玉清湖沉沙池工程是小清河治理工程的重要組成部分。本工程是對(duì)玉清湖沉沙池西南角地區(qū)進(jìn)行水深測(cè)量。測(cè)區(qū)位于玉清湖水庫(kù)以北，玉清湖水庫(kù)二號(hào)泵站內(nèi)。測(cè)量區(qū)域水深為1 m～8 m。

3 測(cè)量基本原理

3.1 JNCORS 系統(tǒng)簡(jiǎn)介［6］

濟(jì)南市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(JNCORS)作為“數(shù)字濟(jì)南”地理空間基礎(chǔ)框架的重要組成部分，采用的是天寶(Trimble)公司虛擬參考站技術(shù)——VRS技術(shù)系統(tǒng)，設(shè)有濟(jì)南市勘測(cè)院、商河、濟(jì)陽(yáng)、齊河、章丘、平陰和柳埠7個(gè)基準(zhǔn)站，相鄰站間距最長(zhǎng)為79 km，最短為27 km，平均為50 km。JNCORS系統(tǒng)各基準(zhǔn)站使用新型接收機(jī)，可以同時(shí)接收GPS(包括L2C信號(hào))和GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星定位系統(tǒng)由GPS向GNSS的轉(zhuǎn)變;采用扼流圈天線，滿(mǎn)足氣象和地震等部門(mén)的基準(zhǔn)站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范，部分基準(zhǔn)站可升級(jí)為國(guó)家級(jí)的GNSS跟蹤站、國(guó)家地殼形變監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)站;數(shù)據(jù)中心采用虛擬參考站技術(shù)的GPSNet實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)用戶(hù)采用GPRS/CDMA與數(shù)據(jù)中心連接。

3.2 基于CORS的RTK與數(shù)字測(cè)深儀集成技術(shù)原理［3，5］

數(shù)字測(cè)深儀是一種用于水庫(kù)、江河、湖泊及淺海進(jìn)行水深測(cè)量的便攜式測(cè)深記錄器，適用于水文、勘察、航道及碼頭疏浚等行業(yè)的精密測(cè)量及水深數(shù)據(jù)輸出，采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理DSP技術(shù)、水底門(mén)跟蹤技術(shù)于一體，使儀器能在惡劣的水文環(huán)境和地貌情況下，得到精確、真實(shí)、穩(wěn)定的水聲數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)的RS232/RS485串口使儀器能和計(jì)算機(jī)通訊。

RTK結(jié)合回聲測(cè)深儀測(cè)量水下定位點(diǎn)坐標(biāo)與高程的方法，是將RTK流動(dòng)站天線直接安裝在測(cè)深儀換能器的正上方，這樣可以保證在測(cè)量的過(guò)程中，RTK測(cè)量的點(diǎn)位與測(cè)深儀測(cè)量的水下點(diǎn)位在同一鉛垂線上。測(cè)量過(guò)程中，在RTK測(cè)定換能器底部坐標(biāo)、高程的同時(shí)，測(cè)深儀測(cè)定了定位點(diǎn)的水深，將RTK測(cè)量的高程減去測(cè)深儀測(cè)量的水深，得到水下定位點(diǎn)的高程。如圖1所示，換能器的坐標(biāo)即是定位點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖1 水下定位點(diǎn)高程測(cè)量原理

水下定位點(diǎn)的高程H計(jì)算公式為:

式中:H1為換能器底部的高程;H2為換能器測(cè)量定位點(diǎn)至換能器之間的水深。

4 數(shù)據(jù)采集

4.1 施測(cè)前數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

為了保證測(cè)量結(jié)果可靠，利用JNCORS系統(tǒng)，檢測(cè)C級(jí)GPS點(diǎn)CPI4009，檢測(cè)數(shù)據(jù)如下:

檢驗(yàn)結(jié)果精度符合要求，可以進(jìn)行實(shí)測(cè)。

4.2 具體施測(cè)

使用儀器:天寶R4型GPS接收機(jī)、中海達(dá)HD－310測(cè)深儀各一臺(tái)。首先利用測(cè)深儀和鋼尺分別測(cè)定水深，根據(jù)其差值改正聲速參數(shù)，直至二者一致。然后連接測(cè)深儀與RTK，并將其固定在船上，控制好船速，保證船的傾斜較小，即可實(shí)時(shí)測(cè)量。

5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成果輸出

將記錄的水深數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格中，然后將RTK測(cè)量的高程與對(duì)應(yīng)的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到水底高程。結(jié)合RTK所測(cè)平面坐標(biāo)，形成所需要的三維坐標(biāo)(X、Y、H)。把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為南方CASS軟件所要求的DAT數(shù)據(jù)文件，然后利用南方CASS 9.0對(duì)野外數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后編輯成圖，如圖2所示。

圖2 玉清湖水廠沉沙池湖底標(biāo)高測(cè)量工程圖

土方量計(jì)算:土方量計(jì)算根據(jù)甲方要求，中間壩內(nèi)部分按照平場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其他均按現(xiàn)狀與一期進(jìn)行比較，算出二期差值。計(jì)算使用南方CASS 9.0軟件提供的方格網(wǎng)法進(jìn)行土方量計(jì)算，方格網(wǎng)寬度采用0.5 m×0.5 m。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 玉清湖水廠沉沙池圍堰土方量計(jì)算工程圖

6 技術(shù)結(jié)論

(1)克服了單參考站RTK對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗疲哺玫亟鉀Q了多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

(2)基于JNCORS系統(tǒng)的RTK與數(shù)字測(cè)深集成技術(shù)應(yīng)用于水下地形測(cè)量，改變了傳統(tǒng)的RTK測(cè)量作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)的高精度、高效率、全天候，降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了人力，真正實(shí)現(xiàn)了水下地形測(cè)量的自動(dòng)化、數(shù)字化、內(nèi)業(yè)及外業(yè)一體化的作業(yè)流程。

(3)由于水下測(cè)量環(huán)境復(fù)雜，因而對(duì)精度的控制是水深測(cè)量作業(yè)中關(guān)鍵，在實(shí)踐當(dāng)中要對(duì)誤差進(jìn)行嚴(yán)格的控制，嚴(yán)格遵守測(cè)量規(guī)范，改進(jìn)操作細(xì)節(jié)，力求把作業(yè)環(huán)境對(duì)精度的影響降到最低。

(4)如果能購(gòu)買(mǎi)或是自己研發(fā)一體化的水深測(cè)量系統(tǒng)，將會(huì)使外業(yè)工作更加直觀，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性。

［1］吳恒友.GPS-RTK與數(shù)字測(cè)深集成技術(shù)在水庫(kù)水下地形測(cè)量中的應(yīng)用［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2009，15(11):1025～1027.

［2］呂繼書(shū)，萬(wàn)仕平，李瑋.GPS結(jié)合測(cè)深儀水下地形測(cè)量原理與應(yīng)用［J］.天然氣與石油，2010，28(2):50～51.

［3］鈄春紅.數(shù)字測(cè)深儀結(jié)合 GPS-RTK在庫(kù)區(qū)清淤中的應(yīng)用［J］.中國(guó)水運(yùn)，2011，11(3).

［4］GB50026－2007.工程測(cè)量規(guī)范［S］.

［5］曾嘉.GPS-RTK技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009(17):51～52.

［6］劉成寶，牛守明，劉曦燦.濟(jì)南市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)測(cè)試及分析［J］.城市勘測(cè)，2010(2):68～70.