王春林 吳大國 彭建和 李書群

基于GPS-RTK與測(cè)深儀在水利測(cè)量中的應(yīng)用

王春林1，2吳大國1，2彭建和1，2李書群3

本文以合肥市某河道治理為例，主要針對(duì)河道水下測(cè)量進(jìn)行分析，對(duì)河道進(jìn)行河底高程的測(cè)量。經(jīng)過成果精度分析，將GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀運(yùn)用于水下測(cè)量項(xiàng)目中，不僅滿足項(xiàng)目實(shí)際需要，極大地降低作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，還為其他測(cè)量項(xiàng)目提供成功案例，服務(wù)于城市基礎(chǔ)測(cè)量。

一、GPS-RTK與測(cè)深測(cè)量技術(shù)

1.GPS-RTK測(cè)量技術(shù)

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)是一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)。RTK是建立在對(duì)空接收衛(wèi)星信號(hào)的基礎(chǔ)上，采用偽距測(cè)量模式或者載波相位測(cè)量模式，以距流動(dòng)站一定距離范圍內(nèi)，架設(shè)基準(zhǔn)站不間斷實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，并將實(shí)時(shí)差分?jǐn)?shù)據(jù)通過電臺(tái)或者GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給流動(dòng)站，使流動(dòng)站能夠準(zhǔn)確定位。由于此技術(shù)原理是基于默認(rèn)基準(zhǔn)站上空電離層等模型與流動(dòng)站上空一致，擁有相同的差分改正模型，故使用此項(xiàng)技術(shù)需要基準(zhǔn)站距離流動(dòng)站不能太遠(yuǎn)，以免產(chǎn)生大的誤差。GPS-RTK測(cè)量系統(tǒng)主要包括基準(zhǔn)站接收機(jī)、電臺(tái)、移動(dòng)站接收機(jī)。由于新技術(shù)的發(fā)展，RTK作業(yè)也由單個(gè)基準(zhǔn)站向網(wǎng)絡(luò)RTK方向伸展。目前，全國各省市相繼建立了各自的CORS（連續(xù)運(yùn)行參考站）系統(tǒng)，使得作業(yè)范圍大大增加。考慮到本文案例中作業(yè)范圍較小，故直接使用傳統(tǒng)RTK作業(yè)模式。

2.測(cè)深儀測(cè)量技術(shù)

測(cè)深系統(tǒng)主要的組成部分包括工控電腦、水深采集軟件、測(cè)深儀。測(cè)深儀分為單頻和雙頻兩種。測(cè)深系統(tǒng)為了能夠使換能器產(chǎn)生的蜂鳴噪音得以降低，具有變頻功能，還能夠使回聲強(qiáng)度增強(qiáng)。有些測(cè)深系統(tǒng)能夠進(jìn)行斷面設(shè)定，其測(cè)量可以沿指定斷面航線來進(jìn)行，這主要是由于這些測(cè)深系統(tǒng)具有導(dǎo)航測(cè)深功能。由于水利工程地形看不見起伏，不像陸上地形測(cè)量可以選擇地形特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)繪，只能用測(cè)深線法或散點(diǎn)法均勻地布設(shè)一些測(cè)點(diǎn)。所以一般根據(jù)任務(wù)書的要求和測(cè)區(qū)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的測(cè)量航線。航線設(shè)計(jì)應(yīng)注意幾點(diǎn)：

①測(cè)線間距。在計(jì)劃測(cè)線間距時(shí)，要考慮避免出現(xiàn)空白和重疊，關(guān)鍵的區(qū)域要加密測(cè)線。

②測(cè)線方向。選擇合理的方向能精確地繪出等深線。測(cè)線方向應(yīng)當(dāng)盡可能垂直于預(yù)計(jì)的等深線。

船臺(tái)（流動(dòng)站）要固定好GPS衛(wèi)星接收天線、無線電接收天線和測(cè)深儀換能器，連接好測(cè)深儀、GPS和計(jì)算機(jī)之間的連線，風(fēng)浪大的區(qū)域要使用波浪補(bǔ)償儀消除縱橫搖的影響。在測(cè)深軟件中設(shè)置好儀器端口，輸入正確的投影參數(shù)，正確驅(qū)動(dòng)換能器和GPS。

二、GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量原理

GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀在河道水下測(cè)量定位點(diǎn)的坐標(biāo)與高程，在測(cè)深儀換能器的正上方安裝GPS-RTK流動(dòng)站的天線，在測(cè)量過程中保證GPS天線中心與測(cè)深儀測(cè)量中心在一條鉛垂線上，保證測(cè)量的點(diǎn)位和測(cè)深儀測(cè)量的水下點(diǎn)位在同一鉛垂線上。在測(cè)量過程中，對(duì)換能器底部坐標(biāo)、高程用GPS測(cè)定時(shí)，定位點(diǎn)的水深能夠通過測(cè)深儀測(cè)定出來，水下定位點(diǎn)的高程就是用GPS測(cè)量的高程與測(cè)深儀測(cè)量的水深之差，換能器的坐標(biāo)也就是定位點(diǎn)的坐標(biāo)。在RTK作業(yè)模式下GPS可以實(shí)時(shí)獲取待測(cè)點(diǎn)位的坐標(biāo)高程，定位精度可達(dá)到厘米級(jí)。通過測(cè)深軟件來控制測(cè)深儀的定位時(shí)間與GPS的定位時(shí)間的延遲，控制GPS數(shù)據(jù)采集與測(cè)深儀測(cè)深的軟件應(yīng)該裝在計(jì)算機(jī)上，從而使GPS數(shù)據(jù)采集與測(cè)深儀測(cè)深的同步能夠得到控制。在測(cè)量過程中，測(cè)得的數(shù)據(jù)主要是通過工控電腦顯示在工控電腦顯示器上，采集數(shù)據(jù)的稀疏程度可以通過工控電腦來判別，并且導(dǎo)航還可以根據(jù)相應(yīng)的軟件來進(jìn)行，從而使測(cè)量數(shù)據(jù)在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)得以保障。測(cè)深軟件會(huì)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量路線以及船體的航向，以便隨時(shí)做出調(diào)整。

三、GPS結(jié)合測(cè)深儀實(shí)施水下測(cè)量

本文案例采用兩臺(tái)IRTK2型GPS接收機(jī)和一臺(tái)HD310測(cè)深儀，一臺(tái)GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，一臺(tái)GPS流動(dòng)站和一臺(tái)測(cè)深儀集成在一起綁定在船體周邊。

1.GPS坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換

GPS測(cè)得的坐標(biāo)為WGS-84坐標(biāo)，而本文案例河道所采用的坐標(biāo)為北京54坐標(biāo)，因此需進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換。由于本次河道范圍較小，總長(zhǎng)約3km，故采用四參數(shù)轉(zhuǎn)換。首先，在河道上游和下游端，選取3個(gè)已知點(diǎn)，分別為S1、S2和S3，點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)見表1。

然后，在河道中間位置選取某個(gè)高點(diǎn)（無需架設(shè)在已知點(diǎn)上），架設(shè)基準(zhǔn)站，并設(shè)置好相應(yīng)基準(zhǔn)站頻道鏈接。安裝好RTK流動(dòng)站,根據(jù)基準(zhǔn)站信號(hào)頻道，設(shè)置好相應(yīng)鏈接，接收基準(zhǔn)站發(fā)射的差分信號(hào)，如解為固定解，則說明基準(zhǔn)站已成功發(fā)射差分信號(hào)，流動(dòng)站也成功接收差分信號(hào)。

最后，在S1和S2已知點(diǎn)上，架設(shè)流動(dòng)站，對(duì)接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，得到S1點(diǎn)和S2點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，并將S1點(diǎn)和S2點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)和北京54坐標(biāo)根據(jù)相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行四參數(shù)轉(zhuǎn)換，得到已知點(diǎn)的四參數(shù)。其中，尺度因子需達(dá)到0.9999 或1.000級(jí)別，才說明此參數(shù)精度合格，否則需重新采集點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換后的參數(shù)輸入到流動(dòng)站接收機(jī)中，并對(duì)S3點(diǎn)進(jìn)行校核，校核后即可使用流動(dòng)站進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，坐標(biāo)系即為項(xiàng)目需求坐標(biāo)系。

2.GPS結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量

將RTK流動(dòng)站與測(cè)深儀集成在一起，并綁定在船體的周邊，進(jìn)行高程換算后，流動(dòng)站手簿采集的數(shù)據(jù)即為河底高程數(shù)據(jù)。

本文案例測(cè)深軟件采用“Haida海洋測(cè)量軟件”。測(cè)深軟件自動(dòng)同步定位、導(dǎo)航和采集水深。為了消除工控電腦和GPS時(shí)鐘誤差，測(cè)深軟件的定位、導(dǎo)航和采集水深的時(shí)間統(tǒng)一為GPS的時(shí)鐘時(shí)間。流動(dòng)站天線到水面高和天線偏差每天作業(yè)前均用小鋼尺精確量取，并設(shè)定到測(cè)深軟件（在測(cè)深儀的隨行電腦中）和RTK手簿中，同時(shí)岸上用架設(shè)在已知點(diǎn)上的全站儀測(cè)定水面高程，與測(cè)深軟件測(cè)定的水面高和RTK測(cè)定的水面高進(jìn)行比對(duì)，再用測(cè)尺測(cè)定水深，與測(cè)深儀測(cè)定的水深進(jìn)行比對(duì)，所有比對(duì)結(jié)果一致后才開始作業(yè)。水下數(shù)據(jù)采集為每10s一組，然后內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。為了保證水面高程測(cè)定的精度和可靠性，每天水下測(cè)量的同時(shí)在岸邊進(jìn)行全站儀直接驗(yàn)潮，由于此次河道為城市內(nèi)河，范圍較小，兩端均有攔水壩，水面高程受潮汐影響較小，因此在水下作業(yè)開始前5min進(jìn)行測(cè)定一次水面高程，到水下作業(yè)結(jié)束后再測(cè)定一次高程，中間過程無需測(cè)定。水下測(cè)量數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采用“Haida海洋測(cè)量軟件”轉(zhuǎn)換成“南方CASS成圖系統(tǒng)”軟件的數(shù)據(jù)格式，進(jìn)行數(shù)字化成圖。具體成果見圖1。

3.RTK作業(yè)精度測(cè)試

RTK作業(yè)精度檢測(cè)采用已知點(diǎn)檢核。已知點(diǎn)檢核分別對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的3個(gè)已知控制點(diǎn)進(jìn)行了檢測(cè)（見表2），經(jīng)統(tǒng)計(jì)：

經(jīng)過系統(tǒng)對(duì)3個(gè)已知點(diǎn)檢核，測(cè)試點(diǎn)均勻分布在基準(zhǔn)站周邊范圍內(nèi)，平面精度滿足線路測(cè)量精度要求，說明結(jié)果有較好的內(nèi)符合精度和較好的穩(wěn)定性。由于此次水下測(cè)量對(duì)于高程精度要求在厘米級(jí)即可，故運(yùn)用RTK技術(shù)進(jìn)行河底坐標(biāo)的測(cè)量，符合項(xiàng)目需求。

四、GPS結(jié)合測(cè)深儀應(yīng)用總結(jié)

表1 已知點(diǎn)坐標(biāo)表

表2 已知點(diǎn)檢核表

經(jīng)過此次水利測(cè)量項(xiàng)目驗(yàn)證，結(jié)合中小城市實(shí)際條件運(yùn)用GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量模式具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.優(yōu)缺點(diǎn)比較

傳統(tǒng)的水下測(cè)量模式由傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀或者全站儀，配上水準(zhǔn)儀和測(cè)繩，其缺點(diǎn)不言而喻，具有工作效率低、成果精度低和工作成本高等缺點(diǎn)。

GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有很高的平面定位精度和較高的高程定位精度。其中，平面定位精度可達(dá)毫米級(jí)，高程定位精度可達(dá)厘米級(jí)，在水利測(cè)量中，符合大部分的工程項(xiàng)目需求（除了少數(shù)要求極高精度的水利工程項(xiàng)目）。

具有較高的工作效率。傳統(tǒng)的水下測(cè)量需要大量的人力、物力進(jìn)行工作，而GPS結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量模式完成整套數(shù)據(jù)采集工作僅需要幾個(gè)人即可完成，并且勞動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)水下測(cè)量。

水面變化但是水下地形點(diǎn)高程是不受影響的，其獲取可以通過設(shè)置直接實(shí)現(xiàn)。而傳統(tǒng)的水下測(cè)量模式隨著水面變化期高程也會(huì)變化，這樣處理起來比較困難，而且也影響測(cè)量精度。

GPS結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量模式不受環(huán)境和時(shí)間限制，可以實(shí)現(xiàn)全天候的作業(yè)。

2.注意事項(xiàng)

圖1 水下測(cè)量數(shù)字化成果圖

由于測(cè)深儀是綁定在船體周邊，這就要求在航行過程中，盡量保證船體的穩(wěn)定性，如在河流流速較緩、河道較窄的河流中，宜采用較為輕便的船只；如在河流流速較快，河道較寬的河流中，宜采用自身重量較大的船只。

在數(shù)據(jù)采集過程中，要定期對(duì)GPS流動(dòng)站進(jìn)行校核，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)測(cè)深儀測(cè)得的水深數(shù)據(jù)，也需使用測(cè)繩定期進(jìn)行校核，確保水深數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

基準(zhǔn)站架設(shè)位置要求位置較高，但不宜遠(yuǎn)離測(cè)區(qū)，衛(wèi)星接收機(jī)上方以及15°仰角范圍內(nèi)應(yīng)無遮擋，基準(zhǔn)站遠(yuǎn)離高壓電線與通訊塔，以保證船上的流動(dòng)站能夠?qū)崟r(shí)得到固定解。

在數(shù)據(jù)采集的過程中，在工控電腦上必須設(shè)置只有在RTK為固定解時(shí)，并且測(cè)深儀數(shù)據(jù)顯示正常的情況下，才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

五、結(jié)語

實(shí)踐證明，運(yùn)用GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量模式可以很好地完成大部分水利工程項(xiàng)目。不僅提高了工作效率，降低了工作成本，還極大地減輕了測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了人力、物力和財(cái)力，使工作人員從繁重的重復(fù)勞動(dòng)中解脫出來。由于此次工程項(xiàng)目工期緊，模式應(yīng)用還有諸多不足，如未考慮不同河湖、不同水體環(huán)境等，在以后的測(cè)試應(yīng)用中，將逐一彌補(bǔ)不足，使此種測(cè)量模式日趨完善

（作者單位：1安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 233000 2安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站 230000 3.合肥學(xué)院 230000）

（專欄編輯：張 婷）