RTK在水深測量中的應(yīng)用

劉志華

摘 要：本文介紹了RTK技術(shù)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(yīng)對策。

關(guān)鍵詞：RTK 水深測量 精度影響因素

RTK 定位技術(shù)簡介

實(shí)時動態(tài)（ RTK） 定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)， 它能夠?qū)崟r地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)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(zhǔn)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(jìn)行實(shí)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?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動狀態(tài)；可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機(jī)，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(jìn)行每個歷元的實(shí)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(shù)發(fā)展的一個新突破，在測繪、交通、能源、城市建設(shè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

RTK配合測深儀和相應(yīng)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(shù)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(shù)的不斷發(fā)展，特別是RTK技術(shù)的出現(xiàn)，使得RTK無驗(yàn)潮水深測量成為可能。大大減少了測量人員的勞動強(qiáng)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(jì)。

RTK無驗(yàn)潮水深測量的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)

1、基本原理

RTK是現(xiàn)代DGPS測量模式的一種，當(dāng)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(shí)時潮位解算，從而實(shí)現(xiàn)無驗(yàn)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(shí)時潮位解算，通過計算機(jī)與測深儀同步采集數(shù)據(jù)，以達(dá)到水下地形三維坐標(biāo)測量目的，實(shí)現(xiàn)無驗(yàn)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(shè)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(diǎn)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(dāng)水面由于潮水或者波浪升高時，H增大，相應(yīng)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(yàn)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(yàn)潮水下地形測量的優(yōu)劣性

與傳統(tǒng)的驗(yàn)潮法相比，無驗(yàn)潮水下地形測量具有如下優(yōu)勢：①無須驗(yàn)潮數(shù)據(jù)，減少工作量。驗(yàn)潮法需要專門的人員測量水位或者到相關(guān)部門獲取測量時段的水位數(shù)據(jù)。無驗(yàn)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(yàn)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(dá)10Hz，每個水深點(diǎn)都對應(yīng)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(yàn)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(yàn)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(jī)中，減少獲取和編輯潮位數(shù)據(jù)的時間，即時能進(jìn)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(yàn)潮水下地形測量的缺點(diǎn)是：必須用RTK型接收機(jī)，這種接收機(jī)價格相對高一些。利用無驗(yàn)潮技術(shù)進(jìn)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(jìn)的測量技術(shù)，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(yàn)，水深測量的作業(yè)系統(tǒng)主要由GPS接收機(jī)、數(shù)字化測深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和便攜式計算機(jī)及海洋測量軟件等組成。測量作業(yè)分三步來進(jìn)行，即測前的準(zhǔn)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(zhǔn)備

1.1 求RTK的轉(zhuǎn)換參數(shù)

將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)A上，設(shè)置好參考坐標(biāo)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(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)，輸入基準(zhǔn)站坐標(biāo)（該點(diǎn)的單點(diǎn)84坐標(biāo)）后設(shè)置為基準(zhǔn)站。將GPS移動站架設(shè)在已知點(diǎn)B上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、接收間隔，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)后，求得該點(diǎn)的固定解（84坐標(biāo)）。通過A、B兩點(diǎn)的84坐標(biāo)及當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，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(diǎn)來校正，求出WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)值與實(shí)際應(yīng)用坐標(biāo)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(jī)都需要重新校正，如果參考站架設(shè)在同一地點(diǎn)，且每次開機(jī)發(fā)射的WGS84坐標(biāo)都已經(jīng)通過設(shè)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(wù)，作計劃線

設(shè)置好坐標(biāo)系、投影、一級變換及圖定義。建立測量任務(wù)，作好計劃線，在測區(qū)圖幅上布設(shè)測量斷面，也可以對原布設(shè)斷面進(jìn)行加密，使其達(dá)到《水運(yùn)工程測量規(guī)范》對所測設(shè)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(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)，求轉(zhuǎn)換參數(shù)，外業(yè)施測前，需在基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，保持基準(zhǔn)站坐標(biāo)不變。

將GPS接收機(jī)、數(shù)字化測深儀和便攜電腦等連接好，打開電源。設(shè)置好記錄設(shè)置、定位儀和測深儀接口、接受機(jī)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(jìn)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(shí)際的使用無驗(yàn)潮方式進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于RTK定位誤差，從而成為無驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(yàn)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(guān)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(jìn)行比較，判斷其可靠性，實(shí)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(diǎn)，然后使用圓滑修正的方法來改善個別錯誤的點(diǎn)。

結(jié)束語

利用RTK技術(shù)進(jìn)行無驗(yàn)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(fù)雜、建立水位站困難的地方應(yīng)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(shù)、計算機(jī)技術(shù)控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動平差計算。它可以極大地降低勞動作業(yè)強(qiáng)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(guān)工程陸域測量中，也可以直接運(yùn)用RTK進(jìn)行實(shí)地實(shí)時放樣、點(diǎn)位測量、導(dǎo)線控制測量等。利用RTK技術(shù)進(jìn)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(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡家明編譯，水上測量新技術(shù)，人民交通出版社，北京，1984年11月。

[2]關(guān)子安，關(guān)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(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)，求轉(zhuǎn)換參數(shù)，外業(yè)施測前，需在基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，保持基準(zhǔn)站坐標(biāo)不變。

將GPS接收機(jī)、數(shù)字化測深儀和便攜電腦等連接好，打開電源。設(shè)置好記錄設(shè)置、定位儀和測深儀接口、接受機(jī)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(jìn)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(shí)際的使用無驗(yàn)潮方式進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于RTK定位誤差，從而成為無驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(yàn)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(guān)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(jìn)行比較，判斷其可靠性，實(shí)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(diǎn)，然后使用圓滑修正的方法來改善個別錯誤的點(diǎn)。

結(jié)束語

利用RTK技術(shù)進(jìn)行無驗(yàn)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(fù)雜、建立水位站困難的地方應(yīng)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(shù)、計算機(jī)技術(shù)控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動平差計算。它可以極大地降低勞動作業(yè)強(qiáng)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(guān)工程陸域測量中，也可以直接運(yùn)用RTK進(jìn)行實(shí)地實(shí)時放樣、點(diǎn)位測量、導(dǎo)線控制測量等。利用RTK技術(shù)進(jìn)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(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡家明編譯，水上測量新技術(shù)，人民交通出版社，北京，1984年11月。

[2]關(guān)子安，關(guān)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(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)，求轉(zhuǎn)換參數(shù)，外業(yè)施測前，需在基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，保持基準(zhǔn)站坐標(biāo)不變。

將GPS接收機(jī)、數(shù)字化測深儀和便攜電腦等連接好，打開電源。設(shè)置好記錄設(shè)置、定位儀和測深儀接口、接受機(jī)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(jìn)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(shí)際的使用無驗(yàn)潮方式進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于RTK定位誤差，從而成為無驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(yàn)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(guān)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(jìn)行比較，判斷其可靠性，實(shí)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(diǎn)，然后使用圓滑修正的方法來改善個別錯誤的點(diǎn)。

結(jié)束語

利用RTK技術(shù)進(jìn)行無驗(yàn)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(fù)雜、建立水位站困難的地方應(yīng)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(shù)、計算機(jī)技術(shù)控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動平差計算。它可以極大地降低勞動作業(yè)強(qiáng)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(guān)工程陸域測量中，也可以直接運(yùn)用RTK進(jìn)行實(shí)地實(shí)時放樣、點(diǎn)位測量、導(dǎo)線控制測量等。利用RTK技術(shù)進(jìn)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(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡家明編譯，水上測量新技術(shù)，人民交通出版社，北京，1984年11月。

[2]關(guān)子安，關(guān)棟材，水利工程測量，測繪出版社，北京，1993年11月。

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