GPS RTK在松花江哈爾濱市城區(qū)段測(cè)量中的應(yīng)用——泄洪渠開(kāi)挖筑島工程水下地形測(cè)繪

李恩重，杜寶鑫

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080;2.雙鴨山市國(guó)土資源勘測(cè)規(guī)劃院，黑龍江雙鴨山 155100)

GPS RTK在松花江哈爾濱市城區(qū)段測(cè)量中的應(yīng)用
——泄洪渠開(kāi)挖筑島工程水下地形測(cè)繪

李恩重1，杜寶鑫2

(1.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080;2.雙鴨山市國(guó)土資源勘測(cè)規(guī)劃院，黑龍江雙鴨山 155100)

水下地形測(cè)量是水利工程測(cè)量中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作，隨著測(cè)繪技術(shù)水平的不斷提高，傳統(tǒng)的測(cè)繪模式已逐漸淡出了測(cè)繪工作者的視線(xiàn)，文章介紹利用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)結(jié)合測(cè)深儀在松花江哈爾濱城區(qū)段泄洪渠開(kāi)挖筑島工程中進(jìn)行水下地形測(cè)量。

GPS;水下地形測(cè)繪;測(cè)深儀;作業(yè)方法;實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù);精度;誤差來(lái)源;對(duì)策

1 引言

松花江哈爾濱江段泄洪渠開(kāi)挖筑島工程建設(shè)地點(diǎn)位于松北區(qū)外貿(mào)堤與太陽(yáng)島堤之間。該泄洪渠于2007年開(kāi)挖并竣工。施工前，根據(jù)規(guī)劃在此段進(jìn)行開(kāi)挖筑島工程，為向規(guī)劃設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料，需要對(duì)泄洪渠水下地形進(jìn)行1∶2000地形圖測(cè)繪。該段泄洪渠寬度大、水較深，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行水下地形測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、精度差。為更快、更好的完成該段泄洪渠水下地形測(cè)量任務(wù)，決定采用GPS RTK結(jié)合數(shù)字測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量。

GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)是利用GPS的相對(duì)定位原理進(jìn)行測(cè)量，其解算后定位精度可達(dá)到厘米級(jí)，同時(shí)配備測(cè)深儀，使定位和測(cè)深同步完成。

2 水下地形測(cè)繪系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

此次水下地形測(cè)繪運(yùn)用的設(shè)備包括中海達(dá)V8 GNSS RTK雙頻雙星定位系統(tǒng)和中海達(dá)HD－27數(shù)字測(cè)深儀。

1)衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站和移動(dòng)站兩個(gè)部分。該系統(tǒng)通過(guò)接收美國(guó)的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)的信號(hào)，運(yùn)用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)(RTK)得到當(dāng)前所在位置的三維坐標(biāo)。該技術(shù)具有作業(yè)效率高、定位精度高、集成化程度高等諸多優(yōu)勢(shì)，可以在短時(shí)間迅速獲得所在位置的厘米級(jí)精度的平面及高程數(shù)據(jù)，不受天氣及通視條件的影響。

2)中海達(dá)HD－27T測(cè)深儀嵌入式安裝了測(cè)深導(dǎo)航二合一軟件，通過(guò)與任何一種GPS相連通，利用系統(tǒng)自帶的一體式電腦，并以瀑布式電子圖象顯示、存貯，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)紙記錄。

3 水下地形測(cè)量的作業(yè)方法

3.1 求轉(zhuǎn)換參數(shù)

1)將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在我院前期布設(shè)的已知點(diǎn)A上;設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、發(fā)射間隔及最大衛(wèi)星使用數(shù)，輸入基準(zhǔn)站坐標(biāo)后設(shè)置為基準(zhǔn)站并求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2)啟動(dòng)移動(dòng)站后在已知點(diǎn)B采集該點(diǎn)固定解坐標(biāo)，并與該點(diǎn)已知坐標(biāo)相校核。

3.2 設(shè)備的連接

1)將RTK移動(dòng)站接收機(jī)天線(xiàn)和測(cè)深儀測(cè)深探頭懸架固定在船幫外，接收機(jī)天線(xiàn)垂直向上并與深入水中的測(cè)深探頭位于同一投影圓心。

2)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)將GPS RTK接收機(jī)、數(shù)字化測(cè)深儀和便攜機(jī)等連接好后，打開(kāi)電源。設(shè)置好記錄設(shè)置、測(cè)深儀配置、定位儀和測(cè)深儀接口、接受機(jī)數(shù)據(jù)格式、天線(xiàn)偏差改正及延遲校正。

3.3 數(shù)據(jù)的采集

本次水下地形測(cè)量通過(guò)斷面測(cè)量法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，垂直于渠道每隔40 m布置一條橫斷面，分別采集每條橫斷面的水下地形高程點(diǎn)。

3.4 數(shù)據(jù)的后處理

將采集到得水下地形數(shù)據(jù)從測(cè)深儀導(dǎo)出，利用相應(yīng)配套的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，形成所需要的測(cè)量成果——水下地形圖，所有測(cè)量成果可以通過(guò)打印機(jī)或繪圖機(jī)輸出。

4 作業(yè)時(shí)應(yīng)該注意的若干問(wèn)題

4.1 關(guān)于RTK基準(zhǔn)站的問(wèn)題

1)因?yàn)閷?shí)時(shí)差分GPS技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，RTK定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù)(偽距觀測(cè)值，相位觀測(cè)值)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)。所以電臺(tái)天線(xiàn)要盡量高。如果距離較遠(yuǎn)，則要使用高增益天線(xiàn);否則將影響到作業(yè)距離;若有通信信號(hào)覆蓋最好使用網(wǎng)絡(luò)模式。

2)在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不到1 s?；鶞?zhǔn)站和移動(dòng)站必須要保持4顆以上相同衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果;所以有時(shí)偶爾RTK沒(méi)有固定解也是正常的。

4.2 關(guān)于RTK流動(dòng)站的問(wèn)題

1)解的模式要使用RTK Extrap(外推)模式。

2)數(shù)據(jù)鏈接受間隔要與基準(zhǔn)站設(shè)置的發(fā)射間隔一致，都要為1。

3)如果使用海洋測(cè)量軟件導(dǎo)航、定位，則記錄限制要為RTK固定解，并且高程改正要在天線(xiàn)高里去改正。

4)差分天線(xiàn)要盡可能的高。

4.3 關(guān)于作業(yè)船只駕駛的問(wèn)題

1)測(cè)量過(guò)程中要沿預(yù)先設(shè)定的橫斷面行駛，這樣測(cè)得的水下高程點(diǎn)分布均勻，便于繪制水下地形。

2)測(cè)量過(guò)程中船只開(kāi)行要保持勻速。由于數(shù)字測(cè)深儀是按固定時(shí)間間隔自動(dòng)采點(diǎn)，所以要?jiǎng)蛩匍_(kāi)行以保證采點(diǎn)分布均勻。

5 誤差來(lái)源及相應(yīng)對(duì)策

在實(shí)際進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)，其測(cè)量精度會(huì)由于采樣速率、船體的搖擺、同步時(shí)差、水面高程傳遞及GPS高程的可靠性等因素造成的誤差的影響，上述誤差對(duì)精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GPS的定位誤差，是提高水深測(cè)量精度瓶頸因素，應(yīng)特別注意。

5.1 船體搖擺姿態(tài)的修正

船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進(jìn)行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)，通過(guò)專(zhuān)用的的測(cè)量軟件接入進(jìn)行修正。

5.2 水面反射造成的多路徑誤差

由于泄洪渠水流流速較慢，在無(wú)風(fēng)的天氣里很容易產(chǎn)生鏡面發(fā)射造成多路徑誤差，從而嚴(yán)重影響觀測(cè)質(zhì)量?？梢杂眉垰は涮自诮邮諜C(jī)天線(xiàn)上，將天線(xiàn)上面的紙殼剪掉，保留下面和側(cè)面，再進(jìn)行觀測(cè)即可解決多路徑誤差問(wèn)題。

5.3 采樣速率的延遲造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時(shí)采集的精度和密度，現(xiàn)在大多數(shù)GPS都可以最高輸出率達(dá)20HZ，而測(cè)深儀的輸出速度各種品牌差別很大，數(shù)據(jù)輸出的延遲也各不相同。因此，定位數(shù)據(jù)的定位時(shí)刻和水深數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)刻的時(shí)間差造成定位延遲。對(duì)于這項(xiàng)誤差可以在延遲校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到，也可以采用以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5.4 GPS高程可靠性的問(wèn)題

GPS高程用于測(cè)量水深，其可信度問(wèn)題是倍受關(guān)注的問(wèn)題。在作業(yè)之前把使用GPS測(cè)量的水位與人工觀測(cè)的水位進(jìn)行比較，檢驗(yàn)GPS高程的可靠性，通過(guò)實(shí)踐證明GPS高程是可靠的。為了使在作業(yè)過(guò)程中由于多路徑反射等帶來(lái)的誤差被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可利用測(cè)深儀自帶的軟件從采集的數(shù)據(jù)中提取高程信息繪制水位曲線(xiàn)。根據(jù)曲線(xiàn)的圓滑程度來(lái)分析RTK高程有沒(méi)有產(chǎn)生個(gè)別跳點(diǎn)，然后使用圓滑修正的方法來(lái)改善個(gè)別錯(cuò)誤的點(diǎn)。

綜上，利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)結(jié)合數(shù)字測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量，使得水深測(cè)量這項(xiàng)工程變得簡(jiǎn)單、方便、快捷、輕松、高效、經(jīng)濟(jì)，所以不失為一種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

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1007－7596(2011)05－0031－02

2011－03－16

李恩重(1984－)，男，黑龍江寧安人，助理工程師;杜寶鑫(1983－)，男，山東煙臺(tái)人，助理工程師。