關于GPS-RTK技術在港口碼頭測量中的應用研究

摘 ?要：近年來我國海洋開發進展迅速，大型化和深水化的建設和發展隨之不斷推進，大量新技術的引入和應用成為行業關注焦點，相關理論研究和實踐探索受此影響也大量涌現。基于此，文章研究了GPS-RTK技術在港口碼頭測量中的具體應用，并圍繞港口碼頭測量中該技術的典型應用開展深入探討，具體涉及多波束測深系統、HYPACK軟件等內容，通過相關技術的實際應用，證實該技術能夠較好地服務于港口碼頭測量。

關鍵詞：港口碼頭測量;GPS-RTK;水下地形測量

中圖分類號：P228.4;U652 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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

海洋測量可為艦船航行安全提供海圖等基礎數據，筆者基于實際工作需求，對GPS-RTK技術進行研究，以期更好地對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行地形或水深測量，為筆者所在單位艦船進出港、離靠碼頭提供海圖資料，保障航行安全。GPS-RTK作為動態實時測量技術，在港口碼頭測量中的實用性較高，具備精簡測量流程、提升數據采集效率、提升測量可靠性等優勢，但結合實際調研可以發現，港口碼頭測量中GPS-RTK技術的應用存在一定難度，故本文圍繞該技術的典型應用展開具體研究，為可能保證該技術的應用質量。

1 ?GPS-RTK技術概述

港口碼頭測量中GPS-RTK技術的特點可細分為五個方面：

（1）精簡測量流程。GPS-RTK技術在測量中的應用能夠開展一體化作業，室外工作的強度受此影響能夠實現顯著下降，放樣工作也能夠在短時間內完成。

（2）突破逐級控制、分級布網限制。通過一次性完成單個測區的布設，靈活性更高的控制網和數量更少的控制點能夠有效降低工作難度，碎部測量作業可在圖根加密控制的同時完成。

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

（4）較高的數據采集效率。畫草圖環節可在技術應用中省略，輔以特定的各個碎部點格式賦予，數據即可更好的由測圖軟件識別，圖形編輯效率自然可隨之有效提升。

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

2 ?港口碼頭測量中GPS-RTK技術的具體應用—— 以水下地形測量為例

2.1 ?測量方式選擇

GPS-RTK技術在港口碼頭水下地形測量中的應用較為廣泛，這一測量一般會采用多波束測深聲吶，同時還需要應用數據圖形分析軟件，由此組成的GPS-RTK水下地形測量系統可細分為三部分：

（1）功能設備。包括衛星定位系統、姿態傳感器、驗潮儀、聲速剖面儀，這類功能設備主要負責提供平面坐標、測量船橫搖等姿態數據、海區潮位和聲速剖面數據。

（2）聲學系統。包括多波束信號處理系統、多波束換能器陣。

（3）儲存、顯示、數據處理等設備和軟件[2]。

在潮汐和波浪等因素影響下，需要在處理測量得到水深數據后方可真正明確某一深度基準面的水深，具體處理涉及換能器涌浪、聲速、水位、吃水等校正，如單純采用傳統有驗潮測量方式，由此開展的單波束或多波束測深均可能導致最終的水深測量精度受到校正影響。結合國內外相關研究和實踐，筆者認為應采用無驗潮水深測量方式配合GPS-RTK技術，該方式應用中的水位觀測無需人為開展，觀測和人工成本可有效節約，上下浮動的測量船帶來影響的消除、水位校正誤差的規避、即時水位的獲取也可更好實現，GPS-RTK系統需要為工作中的多波束測深系統提供支持，以此向移動臺發送基準站的載波相位差分值，移動臺接收載波相位可隨之改正，隨后即可完成移動臺坐標解算。為開展測量結果的精度對比，平面坐標定位實驗可基于全站儀開展，以此在測量船的同一豎向點上設置全站儀目標棱鏡和GPS-RTK天線，隨之開展同一點坐標測量。采集測量點數據時，調度員負責統一指揮，以此完成同步的數據采集[3]。

2.2 ?工程實踐分析

以某港航道水下地形測量為例，航道寬度、長度分別為260 m、21 km，具體測量采用1：2 000的比例尺。采用的RTK測量系統為X10，水下地形測繪用多波束測深系統Sonic2022，基于航標測量船進行工程測量，長、寬、吃水、動吃水分別為40.00 m、8.80 m、2.00 m、0.06 m。在具體測量前，坐標轉換參數由RTK測量系統測定，采集軟件系統中需錄入水域聲速剖面曲線，這一過程需使用聲速測試儀，隨后分別將一條平行測線設置于港口池內地勢變化較大及平坦的兩個區域，完成多波束安裝校正，涉及艏搖、縱搖、橫搖等。基于100°掃寬應用多波束測深系統，調入已定的測線和網格，運行各個儀器設備，進入測量區域的航標測量船沿已定測線航行時，測量數據即可由相關儀器設備負責實時采集，電腦負責保存形成的數據文件記錄。Qloud數據采集軟件和Qinsy軟件需配合完成數據采集，掃測完成后，結合后期數據回放檢查及現場觀察，可發現存在測線覆蓋良好的掃測范圍控制，不存在空白區，圖1為多波束掃描測量結果示意圖。后續采用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]。

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

3 ?基于GPS-RTK技術的水深測量

3.1 ?技術原理

該技術在水深測量過程中，主要是依靠GPS經載波相位差分技術獲得的X，Y，H三維坐標進行分析，其中的數據精度達到厘米級，并配合相關探測儀器，獲得水深數據，了解水底高程變化。其中的關系式包括：

T=H-OHC-S

CS=B-T+D

CS=B-H+OHC+S+D

其中，CS為探測的水深;S為RTK天線與水面之間的距離;T為潮位;H為RTK測量的大地高;OHC為深度基準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（上述所有數據的單位均為米）。

3.2 ?數據處理

3.2.1 ?數據剔除

從3.1段落中給出的關系式中可知，在GPS-RTK技術中，RTK的高程與水深值精度之間存在相關性，所以提高數據處理的精度，則需要獲得RTK厘米級數據，其中的關鍵就是固定解模式下的高程。但是現有的經驗顯示，在測量期間若測量船靠近大型船舶或者受到短暫電磁波的干擾，會導致RTK處于非固定解模式下，最終導致誤差出現，因此數據處理中需剔除非固定解模式下的數據。

3.2.2 ?基于HYPACK的數據處理

HYPACK作為一款先進的水道測量與海洋調查軟件，具有靈活的功能設置，滿足水深測量數據處理要求。

在原始數據處理中，經過HYPACK任務文件解析，原始文件（.RAW）中可提取到水深測量過程中的參數與信息。此時當RTK處于固定解模式下，原始數據會對應相應的潮位信息，而在非固定解模式下（系統顯示RTK狀態碼不為4），則系統不會收錄潮位信息。因此在數據處理中，可通過HYPACK中固定解模式下的潮位信息與完整時間，判斷不同時間下的潮位數據，圖2為數據處理示意圖。

3.2.3 ?潮位的獲取

將原始數據上傳到Excel表格之后，根據數據的排序生成連續的潮位表，從表中獲得對應的潮位信息與時間，運用表格的公式批量編輯功能，獲得潮位與時間的對應數據。

本次研究中，依靠HYPACK提供的測量方法，在潮位設置中選擇GPS設備，通過調整GPS預濾波選項，使潮位與定位都選擇狀態碼“4”，經過上述處理后，可獲得剔除了非固定解模式的數據，生成水深數據。

3.3 ?數據的綜合改正輸出

在獲得水深數據后，可通過綜合改正輸出的方法提取最終數據，此時選擇HYPACK“后處理”選項中的“綜合改正輸出”，選擇水深文件后，勾選相應的參數，并進行改正，由此能夠獲得最終數據。

最后為確保測量結果的準確性，在水深測量中可以配合測深錘選擇任一點進行測量，用于檢測水深數據是否存在異常。

4 ?結 ?論

綜上所述，GPS-RTK技術能夠較好地服務于港口碼頭測量。在此基礎上，本文涉及的測量方式選擇、工程實踐分析等內容，則提供了可行性較高的GPS-RTK技術應用路徑。為更好地服務于港口碼頭測量，GPS-RTK技術的應用還需要關注基準站的科學創建、轉換參數的合理設定、岸坡觀測的針對性開展等技術點，進一步優化GPS-RTK技術在港口碼頭測量中的應用。

參考文獻：

[1] 田慧，宋中華.PPK和GPS-RTK在黃河三角洲海區測驗中的數據對比分析 [J].東北水利水電，2020，38（11）：26-27+ 29.

[2] 姜福紅.水工環地質勘查中GPSRTK技術的應用 [J].中國金屬通報，2020（8）：201-202.

[3] 沈相儒.GPS-RTK技術在港口碼頭測量中的應用 [J].工程建設與設計，2020（9）：86-87+90.

[4] 梁書祥.GPS-PPK技術在港口航道測量領域的應用研究 [J].企業科技與發展，2020（1）：123-125.

作者簡介：孟曉輝（1986.08—），男，漢族，山東濟南人，助理工程師，本科，研究方向：海道測量。