RTK擬合高程在水利工程測量中的應(yīng)用及精度分析

摘要：GPS技術(shù)借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，隨著RTK技術(shù)發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)RTK（CORS技術(shù)）及1+n自設(shè)基站技術(shù)，同時作業(yè)半徑不斷擴(kuò)展。針對水利工程測區(qū)的帶狀特性，RTK作業(yè)半徑的擴(kuò)大無疑對測繪效率有較大的提高，但RTK測量精度一直備受關(guān)注，文章針對RTK測量中如何提高GPS高程測量精度進(jìn)行了探討分析，總結(jié)了一些方法和經(jīng)驗(yàn)，借此與測繪同仁共饗。

關(guān)鍵詞：水利工程;誤差;RTK高程;精度

1、概述

水利工程測量是為水利工程建設(shè)服務(wù)的專門測量，屬于工程測量學(xué)的范疇，在水利工程的第一階段它的主要任務(wù)主要是為水道及水利樞紐的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供相應(yīng)比例尺的帶狀地形圖及縱橫斷面圖;第二階段的任務(wù)是水利水電工程施工測量;第三階段的任務(wù)為水利工程竣工后的變形監(jiān)測等。

水利工程往往投資比較大，關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生命財(cái)產(chǎn)安全，不言而喻，水利工程測量顯得至關(guān)重要。

RTK（Real-timekinematic）實(shí)時動態(tài)差分法。這是一種新的常用的GPS測量方法，靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需后處理解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實(shí)時差分方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，RTK技術(shù)（CORS）終于將工程GPS測量技術(shù)帶入網(wǎng)絡(luò)時代。

水利工程尤其是水電站工程，水庫工程工地往往位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，對測區(qū)每個區(qū)域都引測等級水準(zhǔn)往往望塵莫及。我們經(jīng)過工程實(shí)踐，一般在壩區(qū)或主要水電樞紐區(qū)域引測四等以上的水準(zhǔn)，對于高差較大或者引測水準(zhǔn)較困難的地方則測量RTK高程作為圖根高程。經(jīng)過與全站儀三角高程及四等水準(zhǔn)高進(jìn)行了多次比較，結(jié)合工程測量規(guī)范要求，我們認(rèn)為能夠達(dá)到相應(yīng)要求。下面結(jié)合操作方法實(shí)例進(jìn)行分析比較。

2、RTK高程的測量原理及方法

RTK高程實(shí)際測量的是大地高，僅為一個幾何量，不具備實(shí)際的物理意義。大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的大地高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的參考橢球的法線與參考橢球面的交點(diǎn)的距離，大地高是橢球高，大地高一般用符號H表示，所以同一個點(diǎn)，在不同的橢球上有不同的大地高。

正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的正常高是某點(diǎn)沿鉛垂線到似大地水準(zhǔn)面的距離，測量工程常用的高程為正常高Hr。

正常高與大地高之間存在高程異常：

§=H-Hr"""""""""""""""""""" （1）。

高程異常也是參考橢球面與似大地水準(zhǔn)面之間的差距。不難看出要將大地高（RTK高）轉(zhuǎn)換成正常高，就要求出高程異?！?，在一般工程測量中最常用的方法是高程擬合法，而較嚴(yán)密的方法為似大地水準(zhǔn)面精化法，后者在一般水利工程中難以實(shí)現(xiàn)，故而高程擬合法則較為普遍。

對于通用的高程擬合法有一次多行式和二次多行式擬合法，其基本思想是：將似大地水準(zhǔn)面看成是曲面（或者平面），高程異?！毂硎境蔀槠矫孀鴺?biāo)（x，y）的函數(shù)，通過網(wǎng)中的起算點(diǎn)（既進(jìn)行了RTK高程測量又進(jìn)行了等級水準(zhǔn)測量的公共點(diǎn)）已知的高程異常確定測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面形狀，求出其余各點(diǎn)的高程異常，然后根據(jù)（1）式求出測區(qū)各點(diǎn)的高程異常，進(jìn)而求出各點(diǎn)的正常高。其基本理論式：

§=f（x，y）+ε"""""""""""""""""" （2）。

3、GPS高擬合實(shí)例及精度分析

增城市增江小樓攔河壩樞紐工程位于增城的小樓鎮(zhèn)附近，本工程的主要任務(wù)是改善增江水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境、航運(yùn)、連接增江兩岸交通及發(fā)展旅游。測區(qū)分兩大部分進(jìn)行，壩區(qū)部分位于小樓渡口，測區(qū)有部分屬于鎮(zhèn)區(qū)，河道中間有吉洲島，島上灌木叢生。庫區(qū)部分則往上游測量至正果鎮(zhèn)，測量任務(wù)是大約20公里1：1000帶狀地形圖，測區(qū)植被覆蓋率較高，且為山區(qū)。利用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量基本無法實(shí)施，經(jīng)過水準(zhǔn)測量人員一致討論認(rèn)為利用RTK擬合高作為圖根水準(zhǔn)高程。本次的RTK測量采用中海達(dá)V30接收機(jī)，信號來源于GDCORS，為了掌握RTK高程的精度及可靠性，我們將能夠控制測區(qū)的6個等級水準(zhǔn)點(diǎn)參入擬合以求取本地區(qū)的高程異常§。

起算重合點(diǎn)表""""""""""""""""""" 單位：m

點(diǎn) 號

RTK大地高（H）

水準(zhǔn)高（Hr）

單點(diǎn)高程異常（§）

二次多項(xiàng)式擬合殘差

H1

17.2405

17.436

-0.1955

0.0106

II29

13.939

14.143

-0.204

0.0067

ZI17

13.9109

14.122

-0.2111

0.0263

ZI26

9.6795

9.8796

-0.2001

-0.0106

GPSE102

13.8422

14.009

-0.1668

0.0291

Y9

15.001

15.192

-0.191

0.0190

對以上6個重合點(diǎn)進(jìn)行分別進(jìn)行一次或二次多項(xiàng)式擬合，二次多項(xiàng)式擬合最大殘差為0.0291;測量組也進(jìn)行了一次多項(xiàng)式擬合，最大殘差為0.0328。對于一次多項(xiàng)式及二次多項(xiàng)式的擬合精度統(tǒng)計(jì)如下：

內(nèi)部符合精度（cm）：一次多項(xiàng)式擬合 ±0.8421""""""""" 二次多項(xiàng)式擬合" ±0.4233

外部符合精度（cm）：一次多項(xiàng)式擬合 ±1.0032""""""""" 二次多項(xiàng)式擬合" ±0.9678

在本工程測量中，我們利用二次多項(xiàng)式擬合的結(jié)果對已知高程點(diǎn)進(jìn)行了測量結(jié)果比對，選取檢查比對的高程控制點(diǎn)均勻分布在測區(qū)具有代表性的部位，比對結(jié)果如下表：

RTK測量擬合高程與水準(zhǔn)高對比表""""""""" 單位：m

點(diǎn)號

RTK擬合高

四等水準(zhǔn)高

差距

H7

13.1055

13.106

-0.0005

T20

13.987

13.987

0.0000

T36

14.0822

14.081

0.0012

ZI1

13.820

13.821

-0.0010

ZI22

13.147

13.149

-0.0020

ZI24

12.615

12.626

-0.0110

經(jīng)過以上擬合及檢核對比，我們認(rèn)為，在本次高程控制測量中，RTK擬合高程可以達(dá)到圖根水準(zhǔn)精度，在部分測區(qū)基本可以達(dá)到四等水準(zhǔn)精度。

水利工程測量大多需測量河道的縱橫斷面圖，特別在嶺南地區(qū)，因?yàn)橛晁浞?，植被覆蓋較豐富，河道水系發(fā)達(dá)，引測傳統(tǒng)水準(zhǔn)往往困難很大，鑒于工程實(shí)際情況，我們采用RTK高程擬合的方法，收到了較好的效果，大大節(jié)約了人力物力。例如：沿20km河道布置的每50米一條斷面的樁高，要測量400個樁位高程。以往我們引測四等水準(zhǔn)或三角高程，4個測量員配上一臺儀器大約需要5天時間，而利用RTK擬合高程測量，只需2個人配上一臺儀器2天即可輕松完成。

特別是隨著RTK網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，距離限制得到了解放，只要有信號的地方即可測量，我們可以同時分多臺儀器作業(yè)。當(dāng)然任何新技術(shù)的發(fā)展都有其過程，GPS的發(fā)展也不例外，由于受到信號的影響較大，衛(wèi)星信號和CORS基準(zhǔn)站信號隨時都可能導(dǎo)致測量中斷。故而，我們必須做好應(yīng)對各種制約條件的準(zhǔn)備。例如：測量人員要準(zhǔn)備一臺基準(zhǔn)站帶入工地隨時備用，一旦CORS基準(zhǔn)站由于維修或電力故障無法工作時，我們可以自設(shè)基準(zhǔn)站（1+n）模式進(jìn)行作業(yè)。在衛(wèi)星信號收到嚴(yán)重干擾，不便利用GPS作業(yè)時，為保證測繪工期，我們可以利用傳統(tǒng)水準(zhǔn)暫時彌補(bǔ)由于人力無法控制條件帶來的工期拖延。

4、水利工程GPS擬合高程的體會及幾點(diǎn)建議

水利工程往往相對偏遠(yuǎn)，作業(yè)條件艱苦。能夠利用先進(jìn)技術(shù)替代傳統(tǒng)技術(shù)，不僅節(jié)約了人力物力，也讓繁重的測量工作得到了有效減輕。同時，我們也要保證測量精度能夠滿足使用各方的需求。這就要求測量人員做到多檢查、多校核、反復(fù)對比。

進(jìn)過近幾年我單位幾十項(xiàng)同類工程測量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在高程擬合中，發(fā)現(xiàn)了一些問題。在解決問題的同時，總結(jié)如下經(jīng)驗(yàn)，先羅列出來與測繪同仁共同探討。

1、在部分測區(qū)，可能存在CORS信號的盲區(qū)或信號不連續(xù)區(qū)域，我們要做好自設(shè)基準(zhǔn)站的準(zhǔn)備。

2、對于水下RTK結(jié)合測深儀進(jìn)行測量時，橋底或者周圍由密集高大建筑區(qū)域難以達(dá)到效果，故而要求做好備用設(shè)備準(zhǔn)備。

3、RTK精度存在偶然性，要嚴(yán)格按執(zhí)行相應(yīng)規(guī)范，必須多對比，多檢查，以免造成損失。

4、在廣東，部分區(qū)域CORS信號往往上午比下午要好，中午較差，雖然搞不清造成該情況的原因，但這種情況在我們使用中的確存在。因此，應(yīng)盡量利用信號較好的時間段進(jìn)行測量。

以上為測量中總結(jié)的幾點(diǎn)體會，渴求得到測繪同仁的指正與批評。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉基余，李征航，王躍虎、桑吉章?！度蚨ㄎ幌到y(tǒng)原理及應(yīng)用》。武漢測繪科技大學(xué)出版社，1993;

[2]《水利水電工程測量規(guī)范》（SL/197-2013）;

[3]《全球定位系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范》 CH/T2009-2010;

[4]網(wǎng)絡(luò)RTK流動站集成方案-劉文建