基于GNSS三維測(cè)量的河床空間信息一站式獲取技術(shù)

張振軍，楊 松，楊 建

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局漢江水文水資源勘測(cè)局，湖北襄陽(yáng)441200)

0 引 言

目前，常用的河床空間信息的獲取方法為應(yīng)用GNSS動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)、測(cè)深儀及其他附屬設(shè)備實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)或事后聯(lián)合解算，計(jì)算出測(cè)深儀換能器聲學(xué)中心的三維位置，從而獲得水下測(cè)點(diǎn)的平面位置和高程。該方法也被稱(chēng)作GNSS三維水道測(cè)量、無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深、隨船一體化測(cè)深等[1]。此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵為河流保護(hù)區(qū)內(nèi)似大地水準(zhǔn)面精化模型的構(gòu)建及水面高數(shù)據(jù)提取濾波方法的實(shí)現(xiàn)。鄭偉等在GPS-RTK三維水下地形測(cè)量的應(yīng)用與誤差分析文中采用分區(qū)常數(shù)法進(jìn)行高程異常改正[2]；李昱等在基于JSCORS與似大地水準(zhǔn)面精化模型的RTK三維水深測(cè)量研究中，采用分段二次曲面與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合算法建立似大地水準(zhǔn)面精化模型，并利用該模型換算測(cè)深點(diǎn)高程數(shù)據(jù)文件[3]；馮國(guó)正等在EGM2008模型的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深技術(shù)中，應(yīng)用少量控制點(diǎn)修正EGM2008系統(tǒng)偏差，將EGM2008應(yīng)用于無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深[4]。

本文應(yīng)用移去-擬合-恢復(fù)技術(shù)，以EGM2008地球重力場(chǎng)模型為參考重力場(chǎng)，融合河流保護(hù)區(qū)內(nèi)高精度GNSS/水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建高分辨率和高精度的似大地水準(zhǔn)面。采用定位質(zhì)量剔除法，保證GNSS三維定位原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量；應(yīng)用數(shù)據(jù)平均誤差闕值法，平滑掉水面高的高頻部分，保留反應(yīng)水位變化過(guò)程的低頻部分；最終通過(guò)2次濾波，提取高精度的水面高數(shù)據(jù)。經(jīng)精度測(cè)試，似大地水準(zhǔn)面精化模型誤差和測(cè)深精度均達(dá)到厘米級(jí)，并開(kāi)發(fā)了河床空間信息一站式獲取軟件，形成了GNSS三維水道測(cè)量的內(nèi)外業(yè)無(wú)縫工作流，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、高效、高精度的GNSS三維水深測(cè)量。

1 河床空間信息一站式獲取技術(shù)原理

河床空間信息一站式獲取技術(shù)原理見(jiàn)圖1。圖中，H表示GNSS天線(xiàn)相位中心至WGS84參考橢球面的高度，即GNSS天線(xiàn)相位中心的大地高；L為GNSS天線(xiàn)相位中心到靜態(tài)水面的高度；h為河道底邊界到似大地水準(zhǔn)面的高度，即河床測(cè)點(diǎn)的正常高；d為換能器聲學(xué)中心至靜態(tài)水面的距離，即船舶靜吃水；S為換能器聲學(xué)中心到河床底部的距離；§為似大地水準(zhǔn)面至WGS84參考橢球面的距離，即高程異常；T為船舶靜態(tài)水面到似大地水準(zhǔn)面的距離，即測(cè)時(shí)水位。

圖1 河床空間信息一站式獲取原理

由圖1可以得到

h=T-(S+d)

(1)

T=H-§-L

(2)

h=(H-§)-L-(S+d)

(3)

若區(qū)域似大地水準(zhǔn)面為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面時(shí)，即H-§=H85。其中，H85為GNSS天線(xiàn)相位中心至1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面的正常高，則

h=H85-L-(S+d)

(4)

此時(shí)，水深S由單波束測(cè)深儀實(shí)時(shí)測(cè)得；d+L為固定值，其中，d可由鋼卷尺丈量，L可由鋼卷尺丈量船舶靜態(tài)水面至天線(xiàn)高量取位置的距離結(jié)合GNSS天線(xiàn)參數(shù)獲取。若GNSS三維動(dòng)態(tài)測(cè)量采集到1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面上的高程，便可實(shí)時(shí)一站式獲得河床空間信息[2]。

2 技術(shù)實(shí)例

本文以漢江丹江口至宜城河段固定斷面測(cè)量項(xiàng)目為例，河段全長(zhǎng)約159 km，橫向測(cè)量范圍為河流保護(hù)區(qū)內(nèi)，進(jìn)行河床空間信息一站式獲取技術(shù)試驗(yàn)研究。定位系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)；平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1954年北京坐標(biāo)系；高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)；GNSS接收機(jī)采用Trimble R10；測(cè)深儀采用無(wú)錫海鷹HY1601型測(cè)深儀；導(dǎo)航軟件采用Hypack。基于GNSS三維測(cè)量的河床空間信息一站式獲取技術(shù)的關(guān)鍵為河流保護(hù)區(qū)內(nèi)似大地水準(zhǔn)面精化模型的構(gòu)建，由此得到測(cè)時(shí)水位的正常高，以及水面高數(shù)據(jù)提取濾波方法的實(shí)現(xiàn)。

2.1 似大地水準(zhǔn)面精化模型的構(gòu)建

采用移去-擬合-恢復(fù)技術(shù)，通過(guò)河流保護(hù)區(qū)內(nèi)的GNSS/水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)[5]，參考地球重力場(chǎng)模型EGM2008，運(yùn)用克里金、反距離權(quán)重、樣條函數(shù)等經(jīng)典數(shù)學(xué)插值法，基于網(wǎng)格修正技術(shù)構(gòu)建高精度、高分辨率的似大地水準(zhǔn)面精化模型。模型構(gòu)建技術(shù)流程見(jiàn)圖2。

圖2 似大地水準(zhǔn)面精化模型構(gòu)建技術(shù)流程

在漢江丹江口至宜城河段河流保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，布設(shè)有D級(jí)GNSS控制網(wǎng)，所有GNSS控制網(wǎng)點(diǎn)均聯(lián)測(cè)了四等水準(zhǔn)，共計(jì)97個(gè)GNSS/水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)，選取其中均勻分布的50點(diǎn)作為已知點(diǎn)，應(yīng)用克里金、反距離權(quán)重、樣條函數(shù)及趨勢(shì)面法等數(shù)學(xué)插值法進(jìn)行高程異常差值網(wǎng)格模型構(gòu)建，分別對(duì)修正后的河流保護(hù)區(qū)內(nèi)地球重力場(chǎng)模型按下式進(jìn)行內(nèi)符合和外符合精度驗(yàn)證，即

(5)

(6)

式中，σi為模型的內(nèi)符合精度；Δεi為轉(zhuǎn)換殘差；n為參與建模點(diǎn)個(gè)數(shù)；σe為模型的外符合精度；Δεe為檢驗(yàn)點(diǎn)計(jì)算值與真值之差；m為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ忘c(diǎn)個(gè)數(shù)[6- 8]。

根據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果，最終選定樣條函數(shù)法作為高程異常差值的擬合方法，應(yīng)用高程異常差值網(wǎng)格模型及河流保護(hù)區(qū)內(nèi)的EGM2008模型進(jìn)行柵格代數(shù)運(yùn)算，得到修正后的漢江丹江口至宜城河段河流保護(hù)區(qū)內(nèi)地球重力場(chǎng)模型。模型的內(nèi)符合精度為0.002 m，外符合精度為0.013 m，能有效滿(mǎn)足測(cè)時(shí)水位正常高實(shí)時(shí)獲取的精度要求。經(jīng)網(wǎng)格修正后的漢江丹江口至宜城河段河流保護(hù)區(qū)地球重力場(chǎng)模型示意見(jiàn)圖3。

圖3 修正后測(cè)區(qū)地球重力場(chǎng)模型

2.2 水面高提取方法

本次測(cè)量的河床空間信息一站式獲取系統(tǒng)由Trimble R10 GNSS接收機(jī)、HY1601測(cè)深儀及Hypack導(dǎo)航軟件組成。數(shù)據(jù)采集時(shí)，GNSS數(shù)據(jù)更新率設(shè)置為10 Hz，測(cè)深儀更新頻率默認(rèn)為20 Hz，輸出并記錄GGA格式數(shù)據(jù)。同步采集的數(shù)據(jù)包括定位和測(cè)深數(shù)據(jù)。Hypack軟件采集的原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1、2、3[9]。

在對(duì)Hypack軟件采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析定標(biāo)時(shí)刻附近的衛(wèi)星質(zhì)量情況，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行第1次濾波處理，即過(guò)濾掉衛(wèi)星個(gè)數(shù)小于等于5和GNSS定位為非差分定位等情況，充分保證GNSS三維定位原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量。軟件實(shí)現(xiàn)界面見(jiàn)圖4。

表1 部分行標(biāo)識(shí)符釋義

表2 GNSS三維定位信息原始數(shù)據(jù)(RAW)字段釋義

在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行第1次濾波處理后，應(yīng)用數(shù)據(jù)平均誤差闕值法平滑掉水面高的高頻部分，保留反應(yīng)水位變化過(guò)程的低頻部分，最終通過(guò)2次濾波，提取高精度的水面高數(shù)據(jù)，第2次濾波的軟件實(shí)現(xiàn)界面見(jiàn)圖5。

圖4 原始數(shù)據(jù)的第1次濾波實(shí)現(xiàn)

圖5 原始數(shù)據(jù)的第2次濾波實(shí)現(xiàn)

2.3 系統(tǒng)檢核精度評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)河床空間信息一站式獲取成果的精度和可靠性，本項(xiàng)目在采用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量模式測(cè)深時(shí)，同時(shí)采用測(cè)區(qū)河段本單位布設(shè)的基本水文(水位站)、全站儀光電測(cè)距三角高程測(cè)量等方式測(cè)量部分區(qū)域水深[10]。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，比對(duì)相同測(cè)點(diǎn)的測(cè)時(shí)水位，共比對(duì)點(diǎn)數(shù)825個(gè)，中誤差為0.06 m，比對(duì)互差不大于0.1 m的點(diǎn)數(shù)占比對(duì)總點(diǎn)數(shù)的99.5%，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。測(cè)時(shí)水位與水面高的誤差分布見(jiàn)圖6。

圖6 測(cè)時(shí)水位與水面高的誤差分布

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)GNSS三維測(cè)量的河床空間信息一站式獲取技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)漢江丹江口至宜城河段固定斷面測(cè)量項(xiàng)目，采用移去-擬合-恢復(fù)技術(shù)，以EGM2008地球重力場(chǎng)模型為參考重力場(chǎng)，融合河流保護(hù)區(qū)內(nèi)高精度GNSS/水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了高分辨率和高精度的似大地水準(zhǔn)面精化模型。通過(guò)定位質(zhì)量剔除法，保證GNSS三維定位原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，應(yīng)用數(shù)據(jù)平均誤差闕值法平滑掉水面高的高頻部分，保留反應(yīng)水位變化過(guò)程的低頻部分，最終通過(guò)2次濾波，提取高精度的水面高數(shù)據(jù)。經(jīng)精度測(cè)試，似大地水準(zhǔn)面精化模型誤差和測(cè)深精度均達(dá)到厘米級(jí)，并開(kāi)發(fā)了河床空間信息一站式獲取軟件，形成了GNSS三維水道測(cè)量的內(nèi)外業(yè)無(wú)縫工作流，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、高效、高精度的GNSS三維水深測(cè)量。此技術(shù)的研發(fā)推廣可有效提升河道勘測(cè)生產(chǎn)工效，還可在復(fù)雜水域有效提升成果質(zhì)量。