GPS RTK技術(shù)在海洋測(cè)繪中的實(shí)施方案探討

李宏 李明 巫哲輪

摘 要： GPS-RTK技術(shù)是將GPS與RTK技術(shù)結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生的一種新技術(shù)，其應(yīng)用范圍很廣，與傳統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程相比具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，可以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性。本文對(duì)GPS-RTK技術(shù)在海洋測(cè)繪過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行分析與探討，旨在提高測(cè)繪水平。

關(guān)鍵詞： GPS-RTK技術(shù)；海洋測(cè)繪；應(yīng)用

引言

近些年來(lái)，GPS-RTK技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，測(cè)量結(jié)果越來(lái)越準(zhǔn)確，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。例如地形測(cè)量、工程測(cè)量、控制測(cè)量等過(guò)程中都可見GPS-RTK技術(shù)。從某種程度來(lái)講，GPS-RTK技術(shù)的出現(xiàn)可以看成是測(cè)繪領(lǐng)域的技術(shù)革命，也是測(cè)繪領(lǐng)域中的里程碑。在海洋測(cè)繪過(guò)程中，測(cè)繪難度大，對(duì)測(cè)繪結(jié)果的要求較高，使用GPS-RTK開展海洋測(cè)繪，可以提高測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)前我國(guó)的海洋活動(dòng)越來(lái)越多，加強(qiáng)海洋環(huán)境測(cè)繪顯得越來(lái)越重要，GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用也將會(huì)進(jìn)一步提高測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性。

一、GPS-RTK技術(shù)概述

（一）GPS-RTK 定位原理及關(guān)鍵技術(shù)

GPS-RTK與傳統(tǒng)的測(cè)繪方法相比較而言，其優(yōu)勢(shì)在于該技術(shù)可以在環(huán)境惡劣的條件下獲取cm級(jí)的測(cè)量精度，而且可以獲得實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，不像其他的測(cè)量方法，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析之后才能獲得精度較高的數(shù)據(jù)。因?yàn)镚PS-RTK技術(shù)將GPS技術(shù)與RTK技術(shù)很好地融合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分，這在傳統(tǒng)的GPS測(cè)量過(guò)程中是一個(gè)較大的突破，能夠提高測(cè)繪作業(yè)的精度和效率。在測(cè)量過(guò)程中，GPS-RTK基站首先要收集好相關(guān)的觀測(cè)坐標(biāo)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)連接，將觀測(cè)值發(fā)送到流動(dòng)站上，然后再進(jìn)行GPS定位，得到測(cè)量點(diǎn)的位置，將位置信息錄入系統(tǒng)中，系統(tǒng)再將其組合成為差分觀測(cè)值，然后再對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行處理，迅速得到cm級(jí)的測(cè)量結(jié)果。在搜集數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、整合與輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程中，總共時(shí)間不會(huì)超過(guò)一秒，而且在進(jìn)行測(cè)繪的時(shí)候，無(wú)論被測(cè)對(duì)象是靜態(tài)的還是動(dòng)態(tài)的，都可以及時(shí)測(cè)量，得到精確結(jié)果。GPS-RTK及時(shí)在追蹤觀測(cè)值的時(shí)候，一般需要四顆衛(wèi)星同時(shí)工作，才能繪制出更加全面的圖像，使得實(shí)時(shí)定位結(jié)果成為可能。GPS-RTK技術(shù)的核心就是數(shù)據(jù)的處理和傳輸，基站要時(shí)時(shí)刻刻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理，然后及時(shí)傳輸?shù)搅鲃?dòng)站上，減少數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的耽誤情況。

如何獲取GPS-RTK參數(shù)是測(cè)繪過(guò)程中考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。根據(jù)GPS-RTK技術(shù)原理，在測(cè)繪的時(shí)候，對(duì)于各個(gè)數(shù)據(jù)的采集、接收和處理，都采用WGS84坐標(biāo)系，使用相同的坐標(biāo)體系可以使得整個(gè)測(cè)繪過(guò)程更加規(guī)范，避免使用不同的坐標(biāo)系產(chǎn)生的數(shù)據(jù)混淆問(wèn)題。具體測(cè)繪過(guò)程中，首先要將參考站的起點(diǎn)固定在一個(gè)坐標(biāo)上，并且同時(shí)計(jì)算坐標(biāo)發(fā)生的變化，然后利用電波進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，等流動(dòng)站接受到這些電臺(tái)傳送來(lái)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)候就可以進(jìn)行處理，從而得到符合條件的數(shù)據(jù)。

二、GPS-RTK技術(shù)在海洋測(cè)繪中的應(yīng)用

（一）GPS-RTK 技術(shù)在海面測(cè)繪中的應(yīng)用

我國(guó)的海域面積十分遼闊，對(duì)海域面積進(jìn)行測(cè)繪是海洋測(cè)繪中的一個(gè)基本內(nèi)容，在測(cè)繪過(guò)程中應(yīng)該要按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范設(shè)施測(cè)繪過(guò)程。在海域區(qū)分過(guò)程中，一般會(huì)根據(jù)其用途分為不同的類別，比如港口、航道、路橋、養(yǎng)殖及填海造地工程等，根據(jù)使用用途的差異對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪，就不需要再依賴于用海項(xiàng)目的控制點(diǎn)，移動(dòng)站在目標(biāo)位置進(jìn)行測(cè)算就可以。比如在海域面積施工放樣過(guò)程中，RTK差分技術(shù)與以往放樣過(guò)程完全不同，放樣的數(shù)據(jù)可以直接輸入計(jì)算機(jī)中，同時(shí)移動(dòng)站可以直接指示出測(cè)量的移動(dòng)方向以及測(cè)量的目標(biāo)位置。在目標(biāo)位置上，移動(dòng)站會(huì)顯示出數(shù)據(jù)是否符合放樣精度，當(dāng)數(shù)據(jù)符合精度要求的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)提示已經(jīng)成功放樣，并且知道測(cè)繪人員開始下一步施工。RTK差分技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)作業(yè)，不用重復(fù)輸入設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，也不用擔(dān)心數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)差錯(cuò)，簡(jiǎn)化了測(cè)繪流程，而且提高測(cè)繪精度。

（二）利用GPS-RTK技術(shù)測(cè)量水深

對(duì)水深進(jìn)行測(cè)量是海洋測(cè)繪中的重要內(nèi)容，需要使用回聲測(cè)深儀，其中回聲測(cè)深儀的基本原理是基于聲波在水中的傳播特性理論，當(dāng)聲波在某種介質(zhì)中的傳播速度是保持在一個(gè)范圍之內(nèi)的，當(dāng)聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)的時(shí)候，其傳播的速度會(huì)發(fā)生變化，而且會(huì)出現(xiàn)反射、折射等物理現(xiàn)象。在傳播過(guò)程中，聲波的能量會(huì)隨著傳播距離的增加而逐漸減弱。正是由于聲波傳輸?shù)幕驹?，可以用?lái)測(cè)量水深，而且利用這個(gè)原理來(lái)測(cè)量也是最簡(jiǎn)單、最準(zhǔn)確的方法之一。如下圖所示，為水深測(cè)量原理圖：

從原理圖可知，首先在傳遞安裝可以發(fā)射超聲波的發(fā)射換能器A與能夠接收超聲波的接收換能器B，A和B之間的距離假設(shè)為S，將S稱為基線，發(fā)射換能器A可以間歇向水下發(fā)射頻率為20～200kHz的超聲波，等超聲波達(dá)到水底之后，一部分能力會(huì)被吸收，一小部分能量被反射回來(lái)，此時(shí)接收換能器B會(huì)接收反射回來(lái)的聲波，并且將反射回來(lái)的聲波轉(zhuǎn)化為電振蕩，再通過(guò)電路放大、轉(zhuǎn)換，將水深顯示出來(lái)。假設(shè)從A開始發(fā)生超聲波起，直到B接收到回聲聲波的時(shí)間為他，換能器表面到水底的距離用h表示，也就是水深，如上圖所示，可以得出水深公式為：

其中H代表的是水面至水底的深度，單位為米，D代表的是水面到基線水平面之間的距離，也就是換能器的深度，單位為米，s表示發(fā)送和接收換能器之間的距離，單位為米，c表示聲波在水中的傳播速度，單位為米/秒。根據(jù)上述公式就可以求出水深。

（三）GPS-RTK 技術(shù)近海航道水下地形測(cè)量的應(yīng)用

水下地形勘測(cè)的作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜、特殊，實(shí)施水下地形測(cè)量比水上海域測(cè)量難度大很多，因此在測(cè)繪過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際情況采取合適的定位方法和測(cè)繪方法。在定位測(cè)量過(guò)程中常用的有回返水聲定位、GPS衛(wèi)星定位、無(wú)線電測(cè)量定位等方法，這些測(cè)繪方法可以單獨(dú)使用，也可以結(jié)合起來(lái)使用。在具體的測(cè)繪過(guò)程中可以將GPS- RTK與測(cè)深儀同時(shí)使用，對(duì)水下地形環(huán)境進(jìn)行測(cè)量。首先，應(yīng)該要選擇一個(gè)近海的島嶼設(shè)置數(shù)據(jù)采集基站，對(duì)測(cè)繪過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。其次要利用GPS定位設(shè)備，按照規(guī)定的間隔時(shí)間，向水下發(fā)射超聲波，通過(guò)水下反射回來(lái)的聲波，可以計(jì)算、分析出水下地形環(huán)境。另外，在測(cè)繪過(guò)程中要得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使用GPS-RTK技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，按照1：2000的比例尺繪制所測(cè)量航道的水下地形圖，并且在測(cè)量過(guò)程中保證作業(yè)的范圍控制在15km以內(nèi)，使得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，保持基站與衛(wèi)星之間通信良好，接收站高效運(yùn)行。在測(cè)繪過(guò)程中可以實(shí)時(shí)得到數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤，存在虛假的信號(hào)，則要立即將這些數(shù)據(jù)刪除，如果數(shù)據(jù)不清晰，也要進(jìn)行重新測(cè)繪。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，GPS- RTK技術(shù)在現(xiàn)代測(cè)繪領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，在海洋測(cè)繪過(guò)程中引入GPS- RTK技術(shù)，可以提高檢測(cè)的進(jìn)度，而且對(duì)外界環(huán)境的要求低，即使外界環(huán)境出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)、大浪等比較惡劣的天氣，依舊可以采取該技術(shù)對(duì)海洋相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)繪，不會(huì)影響測(cè)繪結(jié)果。相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)繪方法而言，GPS- RTK技術(shù)的測(cè)量效率明顯提升，可以獲得實(shí)時(shí)、有效的數(shù)據(jù)，并且提高了測(cè)繪過(guò)程中的成本控制水平。

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