關(guān)于GPS-RTK技術(shù)在港口碼頭測(cè)量中的應(yīng)用研究

摘 ?要：近年來我國(guó)海洋開發(fā)進(jìn)展迅速，大型化和深水化的建設(shè)和發(fā)展隨之不斷推進(jìn)，大量新技術(shù)的引入和應(yīng)用成為行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)，相關(guān)理論研究和實(shí)踐探索受此影響也大量涌現(xiàn)。基于此，文章研究了GPS-RTK技術(shù)在港口碼頭測(cè)量中的具體應(yīng)用，并圍繞港口碼頭測(cè)量中該技術(shù)的典型應(yīng)用開展深入探討，具體涉及多波束測(cè)深系統(tǒng)、HYPACK軟件等內(nèi)容，通過相關(guān)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，證實(shí)該技術(shù)能夠較好地服務(wù)于港口碼頭測(cè)量。

關(guān)鍵詞：港口碼頭測(cè)量;GPS-RTK;水下地形測(cè)量

中圖分類號(hào)：P228.4;U652 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）21-0138-03

Research on the Application of GPS-RTK Technology in Port and Wharf Survey

MENG Xiaohui

（Security Team of Beihai Branch of China Coast Guard，Qingdao ?266000，China）

Abstract：In recent years，with the rapid development of Chinas marine development，the construction and development of large-scale and deep-water are constantly promoted. The introduction and application of a large number of new technologies have become the focus of the industry，and the relevant theoretical research and practical exploration are also emerging. Based on this，the article studies the specific application of GPS-RTK technology in port and wharf survey，and carries out in-depth discussion on typical application of this technology in port and wharf survey，specifically involving multibeam bathymetry system，HYPACK software and other contents. The practical application of relevant technologies proves that the technology can better serve the port and wharf survey.

Keywords：port and wharf survey;GPS-RTK;underwater topographic survey

0 ?引 ?言

海洋測(cè)量可為艦船航行安全提供海圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，筆者基于實(shí)際工作需求，對(duì)GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行研究，以期更好地對(duì)陌生海域碼頭或者地形、水深不明、疏浚工程完工后等資料不全的碼頭進(jìn)行地形或水深測(cè)量，為筆者所在單位艦船進(jìn)出港、離靠碼頭提供海圖資料，保障航行安全。GPS-RTK作為動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)，在港口碼頭測(cè)量中的實(shí)用性較高，具備精簡(jiǎn)測(cè)量流程、提升數(shù)據(jù)采集效率、提升測(cè)量可靠性等優(yōu)勢(shì)，但結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，港口碼頭測(cè)量中GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用存在一定難度，故本文圍繞該技術(shù)的典型應(yīng)用展開具體研究，為可能保證該技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量。

1 ?GPS-RTK技術(shù)概述

港口碼頭測(cè)量中GPS-RTK技術(shù)的特點(diǎn)可細(xì)分為五個(gè)方面：

（1）精簡(jiǎn)測(cè)量流程。GPS-RTK技術(shù)在測(cè)量中的應(yīng)用能夠開展一體化作業(yè)，室外工作的強(qiáng)度受此影響能夠?qū)崿F(xiàn)顯著下降，放樣工作也能夠在短時(shí)間內(nèi)完成。

（2）突破逐級(jí)控制、分級(jí)布網(wǎng)限制。通過一次性完成單個(gè)測(cè)區(qū)的布設(shè)，靈活性更高的控制網(wǎng)和數(shù)量更少的控制點(diǎn)能夠有效降低工作難度，碎部測(cè)量作業(yè)可在圖根加密控制的同時(shí)完成。

（3）較高的碎部量測(cè)靈活性。GPS-RTK技術(shù)在應(yīng)用中不會(huì)受到圖幅便捷帶來的限制，分幅與接邊處理可基于計(jì)算機(jī)快速完成，具備較好的靈活性。

（4）較高的數(shù)據(jù)采集效率。畫草圖環(huán)節(jié)可在技術(shù)應(yīng)用中省略，輔以特定的各個(gè)碎部點(diǎn)格式賦予，數(shù)據(jù)即可更好的由測(cè)圖軟件識(shí)別，圖形編輯效率自然可隨之有效提升。

（5）提升測(cè)量可靠性。1：500圖根控制的精度要求可較好由GPS-RTK技術(shù)滿足，過度集中誤差引發(fā)的問題也能夠有效規(guī)避，同時(shí)該技術(shù)在大比例尺測(cè)圖中也有著不俗表現(xiàn)[1]。

2 ?港口碼頭測(cè)量中GPS-RTK技術(shù)的具體應(yīng)用—— 以水下地形測(cè)量為例

2.1 ?測(cè)量方式選擇

GPS-RTK技術(shù)在港口碼頭水下地形測(cè)量中的應(yīng)用較為廣泛，這一測(cè)量一般會(huì)采用多波束測(cè)深聲吶，同時(shí)還需要應(yīng)用數(shù)據(jù)圖形分析軟件，由此組成的GPS-RTK水下地形測(cè)量系統(tǒng)可細(xì)分為三部分：

（1）功能設(shè)備。包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、驗(yàn)潮儀、聲速剖面儀，這類功能設(shè)備主要負(fù)責(zé)提供平面坐標(biāo)、測(cè)量船橫搖等姿態(tài)數(shù)據(jù)、海區(qū)潮位和聲速剖面數(shù)據(jù)。

（2）聲學(xué)系統(tǒng)。包括多波束信號(hào)處理系統(tǒng)、多波束換能器陣。

（3）儲(chǔ)存、顯示、數(shù)據(jù)處理等設(shè)備和軟件[2]。

在潮汐和波浪等因素影響下，需要在處理測(cè)量得到水深數(shù)據(jù)后方可真正明確某一深度基準(zhǔn)面的水深，具體處理涉及換能器涌浪、聲速、水位、吃水等校正，如單純采用傳統(tǒng)有驗(yàn)潮測(cè)量方式，由此開展的單波束或多波束測(cè)深均可能導(dǎo)致最終的水深測(cè)量精度受到校正影響。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和實(shí)踐，筆者認(rèn)為應(yīng)采用無驗(yàn)潮水深測(cè)量方式配合GPS-RTK技術(shù)，該方式應(yīng)用中的水位觀測(cè)無需人為開展，觀測(cè)和人工成本可有效節(jié)約，上下浮動(dòng)的測(cè)量船帶來影響的消除、水位校正誤差的規(guī)避、即時(shí)水位的獲取也可更好實(shí)現(xiàn)，GPS-RTK系統(tǒng)需要為工作中的多波束測(cè)深系統(tǒng)提供支持，以此向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送基準(zhǔn)站的載波相位差分值，移動(dòng)臺(tái)接收載波相位可隨之改正，隨后即可完成移動(dòng)臺(tái)坐標(biāo)解算。為開展測(cè)量結(jié)果的精度對(duì)比，平面坐標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)可基于全站儀開展，以此在測(cè)量船的同一豎向點(diǎn)上設(shè)置全站儀目標(biāo)棱鏡和GPS-RTK天線，隨之開展同一點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量。采集測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)度員負(fù)責(zé)統(tǒng)一指揮，以此完成同步的數(shù)據(jù)采集[3]。

2.2 ?工程實(shí)踐分析

以某港航道水下地形測(cè)量為例，航道寬度、長(zhǎng)度分別為260 m、21 km，具體測(cè)量采用1：2 000的比例尺。采用的RTK測(cè)量系統(tǒng)為X10，水下地形測(cè)繪用多波束測(cè)深系統(tǒng)Sonic2022，基于航標(biāo)測(cè)量船進(jìn)行工程測(cè)量，長(zhǎng)、寬、吃水、動(dòng)吃水分別為40.00 m、8.80 m、2.00 m、0.06 m。在具體測(cè)量前，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)由RTK測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定，采集軟件系統(tǒng)中需錄入水域聲速剖面曲線，這一過程需使用聲速測(cè)試儀，隨后分別將一條平行測(cè)線設(shè)置于港口池內(nèi)地勢(shì)變化較大及平坦的兩個(gè)區(qū)域，完成多波束安裝校正，涉及艏搖、縱搖、橫搖等。基于100°掃寬應(yīng)用多波束測(cè)深系統(tǒng)，調(diào)入已定的測(cè)線和網(wǎng)格，運(yùn)行各個(gè)儀器設(shè)備，進(jìn)入測(cè)量區(qū)域的航標(biāo)測(cè)量船沿已定測(cè)線航行時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)即可由相關(guān)儀器設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集，電腦負(fù)責(zé)保存形成的數(shù)據(jù)文件記錄。Qloud數(shù)據(jù)采集軟件和Qinsy軟件需配合完成數(shù)據(jù)采集，掃測(cè)完成后，結(jié)合后期數(shù)據(jù)回放檢查及現(xiàn)場(chǎng)觀察，可發(fā)現(xiàn)存在測(cè)線覆蓋良好的掃測(cè)范圍控制，不存在空白區(qū)，圖1為多波束掃描測(cè)量結(jié)果示意圖。后續(xù)采用HYPACK軟件開展后期圖形處理，形成最終的航道水下地形圖（1：2 000）[4]。

為驗(yàn)證上述技術(shù)應(yīng)用的可靠性、準(zhǔn)確性及高效性，可開展系統(tǒng)內(nèi)符合驗(yàn)證，并對(duì)比水深測(cè)量精度誤差、平面定位精度誤差、工作效率高低。開展具體的驗(yàn)證和對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，案例工程測(cè)量小于0.3 m測(cè)深偏差的占比為100%，小于0.1 m測(cè)深偏差的占比為0.1%;對(duì)比水深測(cè)量精度誤差可以發(fā)現(xiàn)，GPS-RTK技術(shù)的精度在厘米級(jí)，且在犧牲時(shí)間成本（限制船速）的情況下該技術(shù)與全站儀測(cè)量精度基本一致，但隨著船速提升，采用特殊定位技術(shù)的GPS定位系統(tǒng)仍可保證測(cè)量效率和精度;對(duì)比平面定位精度誤差可以發(fā)現(xiàn)，多波束測(cè)深系統(tǒng)能夠得出符合規(guī)范要求的結(jié)果及合理判斷;對(duì)比工作效率可以發(fā)現(xiàn)，多波束測(cè)深系統(tǒng)具備2.45 h/km2的單位面積測(cè)量效率，雙頻測(cè)深系統(tǒng)（HY1602）則為5.92 h/km2，多波束測(cè)深系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值可見一斑，其能夠較好為GPS-RTK技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用提供支持。表1為全站儀定位結(jié)果與GPS-RTK定位結(jié)果，結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)，GPS-RTK技術(shù)可取得達(dá)到厘米級(jí)的精度坐標(biāo)，且誤差積累不存在于各點(diǎn)位之間，與全站儀定位結(jié)果的符合度較高，考慮到這一結(jié)果得出在限制船速犧牲時(shí)間成本前提下，船速在6節(jié)以上時(shí)，GPS-RTK技術(shù)仍可滿足測(cè)量精度要求，但全站儀將無法準(zhǔn)確跟蹤觀測(cè)，GPS-RTK技術(shù)的實(shí)用性可見一斑。

3 ?基于GPS-RTK技術(shù)的水深測(cè)量

3.1 ?技術(shù)原理

該技術(shù)在水深測(cè)量過程中，主要是依靠GPS經(jīng)載波相位差分技術(shù)獲得的X，Y，H三維坐標(biāo)進(jìn)行分析，其中的數(shù)據(jù)精度達(dá)到厘米級(jí)，并配合相關(guān)探測(cè)儀器，獲得水深數(shù)據(jù)，了解水底高程變化。其中的關(guān)系式包括：

T=H-OHC-S

CS=B-T+D

CS=B-H+OHC+S+D

其中，CS為探測(cè)的水深;S為RTK天線與水面之間的距離;T為潮位;H為RTK測(cè)量的大地高;OHC為深度基準(zhǔn)面到參考橢球面之間的距離;B為換能器與水底之間的距離;D為吃水深度（上述所有數(shù)據(jù)的單位均為米）。

3.2 ?數(shù)據(jù)處理

3.2.1 ?數(shù)據(jù)剔除

從3.1段落中給出的關(guān)系式中可知，在GPS-RTK技術(shù)中，RTK的高程與水深值精度之間存在相關(guān)性，所以提高數(shù)據(jù)處理的精度，則需要獲得RTK厘米級(jí)數(shù)據(jù)，其中的關(guān)鍵就是固定解模式下的高程。但是現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)顯示，在測(cè)量期間若測(cè)量船靠近大型船舶或者受到短暫電磁波的干擾，會(huì)導(dǎo)致RTK處于非固定解模式下，最終導(dǎo)致誤差出現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)處理中需剔除非固定解模式下的數(shù)據(jù)。

3.2.2 ?基于HYPACK的數(shù)據(jù)處理

HYPACK作為一款先進(jìn)的水道測(cè)量與海洋調(diào)查軟件，具有靈活的功能設(shè)置，滿足水深測(cè)量數(shù)據(jù)處理要求。

在原始數(shù)據(jù)處理中，經(jīng)過HYPACK任務(wù)文件解析，原始文件（.RAW）中可提取到水深測(cè)量過程中的參數(shù)與信息。此時(shí)當(dāng)RTK處于固定解模式下，原始數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的潮位信息，而在非固定解模式下（系統(tǒng)顯示RTK狀態(tài)碼不為4），則系統(tǒng)不會(huì)收錄潮位信息。因此在數(shù)據(jù)處理中，可通過HYPACK中固定解模式下的潮位信息與完整時(shí)間，判斷不同時(shí)間下的潮位數(shù)據(jù)，圖2為數(shù)據(jù)處理示意圖。

3.2.3 ?潮位的獲取

將原始數(shù)據(jù)上傳到Excel表格之后，根據(jù)數(shù)據(jù)的排序生成連續(xù)的潮位表，從表中獲得對(duì)應(yīng)的潮位信息與時(shí)間，運(yùn)用表格的公式批量編輯功能，獲得潮位與時(shí)間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

本次研究中，依靠HYPACK提供的測(cè)量方法，在潮位設(shè)置中選擇GPS設(shè)備，通過調(diào)整GPS預(yù)濾波選項(xiàng)，使潮位與定位都選擇狀態(tài)碼“4”，經(jīng)過上述處理后，可獲得剔除了非固定解模式的數(shù)據(jù)，生成水深數(shù)據(jù)。

3.3 ?數(shù)據(jù)的綜合改正輸出

在獲得水深數(shù)據(jù)后，可通過綜合改正輸出的方法提取最終數(shù)據(jù)，此時(shí)選擇HYPACK“后處理”選項(xiàng)中的“綜合改正輸出”，選擇水深文件后，勾選相應(yīng)的參數(shù)，并進(jìn)行改正，由此能夠獲得最終數(shù)據(jù)。

最后為確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在水深測(cè)量中可以配合測(cè)深錘選擇任一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，用于檢測(cè)水深數(shù)據(jù)是否存在異常。

4 ?結(jié) ?論

綜上所述，GPS-RTK技術(shù)能夠較好地服務(wù)于港口碼頭測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的測(cè)量方式選擇、工程實(shí)踐分析等內(nèi)容，則提供了可行性較高的GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好地服務(wù)于港口碼頭測(cè)量，GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用還需要關(guān)注基準(zhǔn)站的科學(xué)創(chuàng)建、轉(zhuǎn)換參數(shù)的合理設(shè)定、岸坡觀測(cè)的針對(duì)性開展等技術(shù)點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化GPS-RTK技術(shù)在港口碼頭測(cè)量中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：孟曉輝（1986.08—），男，漢族，山東濟(jì)南人，助理工程師，本科，研究方向：海道測(cè)量。