RTK三維水深測量在感潮河段航道測量中的應用

劉永躍

摘 要：本文簡要介紹了GPS-RTK三維水深測量方法的原理，在長江下游航道測量中的應用，總結了GPS-RTK三維水水深測量技術在具體工作中的應用方法并驗證其正確性與可靠性。分析了RTK三維水深技術相比于傳統水下地形測量的優越性。

關鍵詞：航道測量 RTK三維水深測量技術 GPS RTK 基站

1.水下地形測量基本原理

1.1 RTK三維水深測量原理

如圖1所示，RTK三維水底地形測量系統的基本原理是：利用GPS實時相位差分（RTK）實時測得的GPS天線精確的三維坐標（x，y，h），結合由測深儀同步測得的換能器至海底的深度H1 ，將由GPS測得的天線高 h換算到同一平面位置上的水下泥面標高H。通俗的講，RTK三維水深測量就是測深儀測得水深減去RTK潮位，潮位是GPS天線到水準面高減去天線到水面的高；如果是求高程的，就用RTK潮位減去水深。

換算公式如下：

H=h-ΔH1-ΔH2

式中：ΔH2為聯結GPS天線與測深儀換能器的聯桿長。由于GPS接收儀與測深儀的數據 采集同步進行。因此在上述的測量過程中，無須對水面高程進行測定，即無需看水位。

1.2 高程計算

GPS-RTK 三維水深測量技術，其水底測點的 高程值計算公式如下：

H = hgps - h1- h2

式中：H 是測點高程；

hgps 是GPS相位中心高程；

h1是GPS相位中心至測深儀換能器底部的高度；

h2是換能器底部至水底測點的水深值。

當需要計算測點相對當地理論最低潮面的水深值時，計算公式如下：

H水深= H85-H測點

式中：H水深是測點水深

H85是1985 國家高程基準至理論基面的高差（向上為正）

H測點是觀測點85高程值

基于以上方法，我們首先將實測數據整理成采用 1985 國家高程基準表示的測點高程，再將“理基差”減去測點高，得到測點水深值。

1.3 坐標系統

使用RTK技術可以達到精度為2～3cm的平面和高程定位結果，但這一精度是相對于基準站的，換句話說，基準站的平面和高程基準及其精度直接影響RTK三維測量方法結果的精度。因此必須正確選擇基準站的平面和高程基準。

RTK三維水底地形測量方法對平面基準的要求和其他測量工作方法是相同的，但高程系統；由于工程項目的設計要求不同，可能有所不同。如采用平均海水面、最低潮位面等。這就需要將GPS測量的高程轉換到設計要求的系統中，在小范圍（<3km）可以采用平面方法，將GPS高程系統的高程平移到設計高程系統中。

2.航道維護測量中的應用

2.1測區概況

上海航道處轄區負責（江陰黃田港至太倉瀏河口）長江下游河段維護工作，干線全長 135.4km，江面開闊，航運及經濟發達。由江陰、福姜沙、瀏海沙、南通、通州沙、白茆沙、瀏河水道、以及北支水道共八個水道組成。每年的航道維護測量及相關測量業務繁忙。

2.2基準站的建立和使用

因為航道測量是長期的，目前長江網絡信號覆蓋不全，我處轄區網絡不穩定，通過建網組成測區控制點網，計算測區的七參數，并建立GPS基站。一般站點的信號在10公里以內，根據儀器性能和測區環境，目前能達到15公里。建網后使用測區江蘇CORS基站點與基準站組網復測，以確定基準站是否有位移，保證基準站的坐標正確性。基線解算及網平差數據處理中，選測區周圍四個JSCORS點與其聯測，四個點的WGS84坐標由JSCORS數據中心提供。基線解算及網平差數據處理采用天寶TBC（Trimble Business Center）軟件，其中用到精密星歷由德國GNSS數據中心提供。

基線結算中水平中誤差最大4mm，最小1mm，平均3mm，高程中誤差最大12mm，最小9mm，平均11mm，符合C級網要求，網平差采用擬穩平差的方法，分別選取不同JSCORS點作為WGS84起算點，檢驗其它解算點的精度。

2.3 測前準備

2.3.1 儀器設備及成圖軟件準備

作業采用天寶SPS855 接收機、HY-1601 測深儀、HY-1200 聲速剖面儀、清華山維 EPS 軟件、HYPACK數據處理軟件。

2.3.2 測線布設

水下地形測量采用橫斷面法施測。在測量前布設好橫斷面線（簡稱：計劃線）。計劃線布設滿足如下要求：①計劃線的布設方向基本垂直于主泓等深線或岸線。測點間距為圖上5m m。②檢查線布設方向應基本滿足與計劃線正交原則。檢查線的總長度不低于計劃線總長度的5%。③特征地貌水域計劃線應加密，其加密原則應滿足全面反映特征地物的需要。

2.3.3 軟件安裝調試

（1）GPS調試：要求選用雙頻測量型的，配置好GPS接收機的相應參數，如采樣率，高度角，斷口輸出等。

（2）軟件設置：建立任務端口配置等把GPS和測深儀數據連接到軟件，同時設置坐標系等：如橢球、轉換，以及對采集數據的一些參數。

2.4 實地測量

測量步驟：①儀器安裝；②平面定位；③參數設置；④檢查測深線。

2.5 內業處理

2.5.1 水深改正

由于吃水改正、轉速改正及聲速改正已在測量現場完成，故內業資料整理計算時對計算機記錄的水深值與測深儀記錄紙上的模擬水深值進行100%對比檢查，糾正各種偽水深值，并對比較明顯的水深變化特征點進行挑選摘錄，以保證測深精度并如實反映水下地貌。

2.5.2 測深延時校正

本項目采用RTK三維方法進行水深測量，由于定位系統與測深系統存在時間上的不同步，會產生系統性的延時誤差；特別是當船速越快時延時誤差越明顯。因此在水深測量之前我們需要進行延時改正，減小延時對水深測量的影響。

2.5.3 資料后處理數據處理流程

打開原始數據——錯誤水深剔除——GPS差分狀態檢查——數據抽稀轉換——成圖。

2.5.4內業成圖

絕對高程圖采用1985國家高程基準作為繪圖基面；采用理論最低潮面作為繪圖基面。在成圖軟件中直接進行坐標數據的展點，對照測深記錄，在已經勾繪等高線基礎上，剔除水深數據的粗差，提高數據準確性。依據處理后的數據并結合實際情況繪制圖及內業成圖。

3.RTK三維法正確性檢驗

為確定系統的平面及GPS測定高程的正確性，在系統設置完成后，需要對系統進行陸上檢測。檢測結果如表1。

表1中，前兩列表示觀測站與參考站名稱，后兩列表示坐標誤差，可以看出RTK三維水深測量誤差是厘米級精度，完全滿足水下地形測量要求。

4.RTK三維法與傳統方法比較

（1）數據處理方便、快捷。（2）操作方便、自動化，作業效率高。（3）無需驗潮數據，減少工作量。（4）測量精度高，數據安全可靠。（5）尤其是不好觀測潮位的地方，且水位精度要高，同時提高了測量效率和人員安全。（6）缺點是必須用RTK，相對來說設備價格高，配制設備多。（7）個別地方信號會受到地點和時間段的干擾影響。

5.結論

本文通過對 GPS-RTK三維水深測量原理的介紹，論證了其在航道維護測量中的應用，并證實其具有獨特的優越性。隨著GPS-RTK技術的不斷發展，GPS-RTK所得到的數據更加可靠，精度更高，滿足各種需求，已經相應設備的費用降低，應用領域大大提高，尤其是相比于傳統方式極大地減少勞動力并且提高效率，逐步完善GPS基站使得航道維護測量變得更加輕松、高效，完成日常航道維護測量的要求，并提供社會其他相關服務。

參考文獻：

[1]徐紹銓，張華海，楊志強，王澤民.GPS 衛星測量原理與應用[M].武漢測繪科技大學出版社，1998.

[2]胡家明.水上測量新技術[M].北京：人民交通出版社，1984.