淺析RTK測繪系統(tǒng)在水文大斷面測量中的應(yīng)用
——以元龍水文站為例

趙軍霞，雒 儀

（1.甘肅省天水水文水資源勘測局，甘肅 天水 741000；2.甘肅省平?jīng)鏊乃Y源勘測局，甘肅 平?jīng)?744000）

1 大斷面測量要求

大斷面測量包含陸地與水下兩部分測量，陸地部分應(yīng)測至歷年最高洪水位以上0.5～1.0m；漫灘較遠(yuǎn)的河流，可測至最高洪水邊界；有堤防的河流，應(yīng)測至堤防背河側(cè)的地面為止。水文站應(yīng)在每年汛前或汛后進(jìn)行大斷面測量，對于河床不穩(wěn)定的測站，除汛前、汛后測量外，還應(yīng)在每次較大洪峰過后及時加測[1]。起點(diǎn)距和高程測量應(yīng)符合《水文測量規(guī)范》（SL58-2014）的要求。

2 主要測量方法

目前，水文行業(yè)大斷面測量普遍常規(guī)方法為：高程采用四等或以上水準(zhǔn)測量，起點(diǎn)距采用鋼尺直接量距、斷面標(biāo)志牌直讀、經(jīng)緯儀交匯或全站儀等方法測定。測量工作結(jié)束后，對測得資料進(jìn)行整理計算、繪制斷面圖和計算斷面面積。由于水準(zhǔn)儀具有穩(wěn)定的可靠性、高等級的測量精度等特點(diǎn)被廣泛使用于水文測量中。

RTK（Real Time Kinematic）中文名為實時動態(tài)差分測量系統(tǒng)，是一種成熟的GPS測量方法。通過載波相位動態(tài)實時差分方法，將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給移動站，求差解算坐標(biāo)，使其能夠在野外實時得到厘米級定位精度，高程測量可以達(dá)到五等水準(zhǔn)測量精度，已廣泛應(yīng)用于各種工程測量和地形測量中[2]。

3 元龍水文站簡介

元龍水文站是國家重要水文站、中央報汛站，隸屬于甘肅省天水水文水資源勘測局管理。主要收集渭河流域基本水文資料，積累該斷面水量、水質(zhì)、含沙量、蒸發(fā)量等水文要素。元龍站測驗河段較順直，寬淺河槽，洪水河寬約110m，主流靠近左岸。右岸為塊石護(hù)堤，左岸基本斷面處為長約30m的石籠護(hù)堤，其他為土質(zhì)陡坎，遇洪水易坍塌，詳見圖1所示。

圖1 元龍水文站測驗河段平面圖

4 大斷面測量作業(yè)

選擇在元龍水文站利用DS32型光學(xué)水準(zhǔn)儀與中海達(dá)V30型RTK測繪系統(tǒng)同時對其河道大斷面進(jìn)行測量，對比兩種技術(shù)在相同環(huán)境下的測量采集能力。水準(zhǔn)儀與RTK測繪系統(tǒng)應(yīng)同時作業(yè)，確保實測時起點(diǎn)距位置一致。

4.1 外業(yè)測量

（1）光學(xué)水準(zhǔn)儀測量。水準(zhǔn)測量采用四等水準(zhǔn)閉合路線。將水準(zhǔn)儀架設(shè)在通視條件較好的河道岸邊并置平，首先應(yīng)引測水準(zhǔn)點(diǎn)高程作為基準(zhǔn)高程，以起點(diǎn)距斷面樁作為零點(diǎn)。由一名人員持水準(zhǔn)尺沿著斷面線測量，并嚴(yán)格控制斷面變化，儀器觀測人員利用對講機(jī)時刻提示持尺人偏離斷面線的位置。陸地部分按照起點(diǎn)距依次測量河道大斷面各點(diǎn)高程，水下部分利用測深桿實測水底高程，并通過水位換算成高程數(shù)據(jù)。測量結(jié)束后應(yīng)閉合于引測水準(zhǔn)點(diǎn)，以復(fù)核測量成果。

（2）RTK測量。RTK測量系統(tǒng)由基站、移動臺、外掛電臺組成，基準(zhǔn)站應(yīng)架設(shè)在待測斷面附近空曠的制高點(diǎn)并使之保持水平安置。儀器架設(shè)完成后，當(dāng)GPS指示達(dá)到“固定解”后開始斷面測量。首先沿待測河道斷面線測量2個控制點(diǎn)，作為起始與結(jié)束控制點(diǎn)，控制點(diǎn)必須在待測斷面直線位置上。RTK斷面測量原理為2個控制點(diǎn)所確定的直線和其延長線的測量。測量時，手持軟件圖形界面會以虛線三角網(wǎng)的方式顯示當(dāng)前偏移與前進(jìn)方向。

4.2 內(nèi)業(yè)分析

（1）水準(zhǔn)測量資料整理采用人工內(nèi)業(yè)計算方式。將測得的原始斷面數(shù)據(jù)記錄于測量記載表格中并加以計算，其成果符合四等測量規(guī)范要求。

（2）RTK系統(tǒng)資料，采用PC端進(jìn)行內(nèi)業(yè)分析。利用RTK配套的ActiveSync Driver軟件提取測量數(shù)據(jù)，通過Excel編輯成所需要的測量成果。

通過對測量資料進(jìn)行內(nèi)業(yè)計算整編，可分別得到水準(zhǔn)測量大斷面成果與RTK測繪大斷面成果，具體見表1。為了進(jìn)一步分析光學(xué)水準(zhǔn)儀與RTK測繪對比結(jié)果，根據(jù)兩次實測成果資料繪制了元龍站河道大斷面示意圖，見圖2。

表1 元龍站大斷面成果對比表（基本水尺斷面）

5 測量對比分析

5.1 數(shù)據(jù)誤差分析

在測量時，測量結(jié)果與實際值之間存在差值是客觀存在的。河道大斷面測量應(yīng)滿足四等水準(zhǔn)測量誤差要求，其中閉合差應(yīng)小于或等于，經(jīng)測算利用DS32型光學(xué)水準(zhǔn)儀測得元龍站大斷面數(shù)據(jù)閉合差為0.01mm，滿足水文測量規(guī)范要求[3]。

通過分析元龍水文站大斷面RTK測得高程與水準(zhǔn)測量高程誤差分析，見表2，采用中海達(dá)V30型RTK測繪系統(tǒng)測得高程與DS32型光學(xué)水準(zhǔn)儀測得高程的中誤差為0.015m，符合《水文測量規(guī)范》SL58-2014中衛(wèi)星定位高程測量主要技術(shù)指標(biāo)要求，見表3。

5.2 作業(yè)質(zhì)量比對分析

利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行大斷面測量時，采用斷面樁（桿）人工確定大斷面線隨意性較大，鋼尺丈量起點(diǎn)距時存在累積誤差，尤其是斷面較寬時誤差越大；水準(zhǔn)測量高程轉(zhuǎn)點(diǎn)多，測量誤差較難控制，尤其是地形起伏較大，帶來誤差越大。RTK測繪系統(tǒng)只需滿足測驗所需要的最少衛(wèi)星數(shù)，且確保所采集的數(shù)值為固定解即可，不存在累積誤差；RTK測繪系統(tǒng)實時提供測量里程儀器和位置等參考信息，作業(yè)人員易對斷面線方向定位進(jìn)行控制。

圖2 元龍水文站大斷面測繪數(shù)據(jù)對比圖

表2 RTK與水準(zhǔn)測量高程誤差評定分析表

表3 衛(wèi)星定位高程測量主要技術(shù)指標(biāo)要求表 cm

5.3 作業(yè)效率比對分析

水準(zhǔn)測量必須有兩人以上同時進(jìn)行，水準(zhǔn)儀屬于短距離測量，單站距離不得超過150m，超出其可視范圍或視線受阻時需增加轉(zhuǎn)點(diǎn)，尤其是河道地形較為陡峭或通視性較差時，導(dǎo)致搬站次數(shù)較多，測繪記錄較數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，外業(yè)測驗和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理工作量大。

RTK測繪系統(tǒng)只需一名水文職工即可完成儀器組裝、設(shè)置與測量工作。操作靈活方便不受河道地形限制，一站式解決全部測點(diǎn)測量任務(wù)，內(nèi)業(yè)只需導(dǎo)出數(shù)值即可，無需人工計算，測量和計算工序少、效率高。

5.4 適用條件分析

水準(zhǔn)儀為光學(xué)儀器，使用時必須具備光學(xué)通視條件，夜間等光線較弱時無法使用，待測水準(zhǔn)尺與水準(zhǔn)儀之間不能有任何遮擋物。RTK測量可全天候應(yīng)用，但必須滿足測驗所需要的最少衛(wèi)星數(shù)，天線上空無遮擋，可利用CORS系統(tǒng)已有高程異常模型，如無CORS系統(tǒng)應(yīng)建立高程異常模型。

6 RTK適用條件及要求

6.1 技術(shù)要求

RTK測量原理是一種衛(wèi)星通信定位測量，所以在保證至少5顆衛(wèi)星的前提下，采用中海達(dá)V30系列RTK測得其平距誤差為1cm+1ppm×D，即里程每增加1km誤差增加1cm。RTK測量采取基準(zhǔn)站和移動站之間進(jìn)行實時動態(tài)差分計算，在固定解的前提下，經(jīng)測試高程誤差可控制在2cm以內(nèi)。另外差分測量很容易受到信號影響，電離層厚度、天氣影響等都會直接影響到測量質(zhì)量。如在測量過程中，遇到未知的復(fù)雜狀況導(dǎo)致RTK無法固定解時，應(yīng)及時采用水準(zhǔn)測量。

6.2 儀器架設(shè)

RTK測量系統(tǒng)應(yīng)架設(shè)在待測斷面附近空曠的制高點(diǎn)，且周圍沒有高層建筑物或山峰阻擋，以免影響衛(wèi)星信號。儀器架設(shè)時應(yīng)注意架設(shè)誤差、對中誤差、儀器高誤差，對于較為寬闊的河道斷面可另架設(shè)獨(dú)立電臺以供擴(kuò)展通信范圍。

6.3 高程擬合

默認(rèn)設(shè)置中RTK所測得的是基于WGS84坐標(biāo)系下大地高程，與本地所采用的高程之間存在差別?？梢酝ㄟ^擬合的方式進(jìn)行高程異常換算，從而用本地高程取代WGS84大地高程，高程擬合可在測量前進(jìn)行也可在測量完成后再擬合。距離較短的大斷面測量可采用單點(diǎn)擬合，較大范圍測量時，可利用“四參數(shù)平面擬合”或“七參數(shù)曲面擬合”。

7 結(jié)論與建議

通過對水準(zhǔn)和RTK兩種技術(shù)施測大斷面論證分析，RTK測繪系統(tǒng)比傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量更為先進(jìn)，并符合水文測量規(guī)范要求，操作簡便，測量精度高，內(nèi)業(yè)計算處理簡單，RTK測繪系統(tǒng)在不增加工作量的前提下?lián)碛懈迂S富的測點(diǎn)，對地形的變化控制更好。在滿足RTK測量適用條件及要求時，推薦采用RTK測繪系統(tǒng)進(jìn)行河道大斷面測繪，既能保證測驗質(zhì)量，滿足水文監(jiān)測時效性和水文測驗特性的要求；又可以提高工作效率，減少人工工作量，解放人力資源，讓水文職工以更多的精力投入到提升水文服務(wù)能力和更好地支撐新形勢下民生水利、水生態(tài)文明建設(shè)。