GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀應(yīng)用技術(shù)研究

陳文政

摘要：文章分別介紹了GPS-RTK和回聲探測(cè)儀的工作原理，提出采用GPS-RTK與測(cè)深儀結(jié)合的測(cè)量模式構(gòu)成水深測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)其在左江大橋河床整平工程中的應(yīng)用效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，利用GPS-RTK進(jìn)行坐標(biāo)及高程定位，使用測(cè)深儀進(jìn)行水深測(cè)量，二者相結(jié)合實(shí)施水下測(cè)量工作，提高了水下測(cè)量工作的準(zhǔn)確度及工作效率，較傳統(tǒng)的測(cè)量方法有了量的改變和質(zhì)的飛躍。

關(guān)鍵詞：GPS-RTK;測(cè)深儀;水深測(cè)量;河床整平

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U456.3

0引言

測(cè)量工作是工程建設(shè)的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和工程建設(shè)的需要，測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法也在不斷更新、變化。以往傳統(tǒng)的水深測(cè)量方法有：全站儀配合測(cè)深桿法、測(cè)深錘法等，由于這些方法受測(cè)站條件、距離、通視、水流強(qiáng)弱等各種條件的限制，測(cè)量工作不僅效率低，而且數(shù)據(jù)精度也不高。傳統(tǒng)的水深測(cè)量外業(yè)工作需要較多專(zhuān)業(yè)人員配合，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、工作強(qiáng)度大，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)，且人工處理大量數(shù)據(jù)容易出錯(cuò)，不能及時(shí)、正確地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。近年來(lái)隨著GPS-RTK實(shí)時(shí)定位技術(shù)的快速發(fā)展，其不僅局限于常規(guī)的陸地測(cè)量，也能結(jié)合相關(guān)測(cè)量?jī)x器應(yīng)用于其他領(lǐng)域，其與測(cè)深儀的結(jié)合，打破了傳統(tǒng)水深測(cè)量方法耗時(shí)、費(fèi)力、精度低的局限性，較大程度地減輕了野外測(cè)量作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，更提高了測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)、外業(yè)的工作效率和精度。

1GPS-RTK工作原理簡(jiǎn)述

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)是建立在載波相位觀(guān)測(cè)基礎(chǔ)上的一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分相對(duì)定位技術(shù)，即在兩臺(tái)接收機(jī)之間增加一套無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)，將兩臺(tái)或兩臺(tái)以上相對(duì)獨(dú)立的接收機(jī)關(guān)聯(lián)成一個(gè)整體，基準(zhǔn)站通過(guò)電臺(tái)將觀(guān)測(cè)信息及測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)站，移動(dòng)站將接收的與本身觀(guān)測(cè)到的載波信號(hào)進(jìn)行差分處理，從而解算出兩站間的基線(xiàn)向量，并根據(jù)設(shè)置基準(zhǔn)站時(shí)輸入的控制網(wǎng)坐標(biāo)和投影參數(shù)得到移動(dòng)站的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。GPS-RTK采用廣播星歷及基準(zhǔn)站相對(duì)誤差改正的誤差修正方式，精度可達(dá)到厘米級(jí)，既達(dá)到了測(cè)量的高精度，又具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性。

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)。如果施工區(qū)域在CORS基站網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍內(nèi)，那么測(cè)量工作開(kāi)始前就可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)GPS-RTK技術(shù)直接[KG（0.1mm]聯(lián)機(jī)，可以省去基準(zhǔn)站接收機(jī)、電臺(tái)部分，既減少了測(cè)量?jī)x器的投入、省略了基準(zhǔn)站的架設(shè)，又減少了人力。

2回聲測(cè)深儀工作原理

如圖1所示為測(cè)深儀的回聲測(cè)距原理。Z為換能器到水底的距離，如果聲速在水中的傳播速度為v，傳播時(shí)間為t，水深Z=v×t/2，最后的測(cè)量結(jié)果就等于水深Z加上吃水（吃水是水面到換能器底面的距離）。

3水深測(cè)量系統(tǒng)的組成

GPS-RTK和回聲測(cè)深儀結(jié)合系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站和移動(dòng)站構(gòu)成，基準(zhǔn)站由GPS-RTK接收機(jī)、電臺(tái)、數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成;移動(dòng)站由GPS-RTK接收機(jī)、測(cè)深儀、測(cè)量軟件及數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成。GPS-RTK與測(cè)深儀結(jié)合系統(tǒng)構(gòu)成了“GPS-RTK+計(jì)算機(jī)+測(cè)深儀”的測(cè)量模式。

GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀測(cè)設(shè)水下點(diǎn)位三維坐標(biāo)的方法，就是將GPS-RTK移動(dòng)站安裝在測(cè)深儀換能器的正上方，保證GPS-RTK定位點(diǎn)與水下點(diǎn)在同一條鉛垂線(xiàn)上（圖2），測(cè)量測(cè)設(shè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。河底高程則由GPS-RTK所測(cè)得高程減去測(cè)深儀所測(cè)得的待定點(diǎn)的水深，即Hi=H-（h+hp），式中Hi為河底高程，H為水面高程，h為換能器吃水深，hp[WTBZ]為換能器底部到河底的水深。綜上所述即可確定測(cè)設(shè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4.1工程概況

崇左至水口高速公路左江大橋主橋?yàn)椋?7+145+77）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)，主墩為鋼筋混凝土薄壁墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，其中主墩承臺(tái)共計(jì)4個(gè)，全部位于大約20 m的深水中。承臺(tái)采用無(wú)底鋼套箱施工，因河床基巖裸露且河床傾斜，鋼圍堰容易傾斜，封底混凝土容易漏漿，在套箱圍堰下沉前需對(duì)河床找平，以確保圍堰均勻下沉。因深水作業(yè)，受水流流速影響，傳統(tǒng)的測(cè)量方法效率低、難度大，且精度質(zhì)量難以保證?；诖?，決定采用GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀對(duì)河床整平進(jìn)行施工測(cè)量。

4.2測(cè)區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)

測(cè)區(qū)平面坐標(biāo)系采用1980年北京坐標(biāo)系，中央子午線(xiàn)107°，坐標(biāo)分帶采用1.5°分帶;高程系統(tǒng)采用1985年黃海高程基準(zhǔn)。

4.3測(cè)區(qū)已有資料

測(cè)區(qū)內(nèi)采用通過(guò)靜態(tài)觀(guān)測(cè)、四等水準(zhǔn)引測(cè)的測(cè)區(qū)內(nèi)已批復(fù)使用的《左江大橋控制網(wǎng)成果》;通過(guò)承臺(tái)已知坐標(biāo)繪制好的承臺(tái)位置區(qū)域線(xiàn)路圖，存儲(chǔ)格式為DXF-2004（圖3）。

4.4測(cè)量?jī)x器配置

采用的測(cè)量?jī)x器設(shè)備：中海達(dá)V30 GPS-RTK兩臺(tái)、中海達(dá)HD-310測(cè)深儀一套、外接電源一個(gè)、測(cè)量船只一艘。

4.5外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先在空曠無(wú)遮擋處架設(shè)GPS-RTK，設(shè)置基準(zhǔn)站，數(shù)據(jù)固定后通過(guò)網(wǎng)內(nèi)控制點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)無(wú)誤后連接測(cè)深儀，在測(cè)深儀坐標(biāo)與GPS-RTK坐標(biāo)一致后即可開(kāi)始工作。在測(cè)量船上固定測(cè)深儀換能器，精確量取換能器吃水深度并將換能器與測(cè)深儀主機(jī)連接，接通電源，打開(kāi)測(cè)深儀測(cè)量軟件，開(kāi)始設(shè)置測(cè)深儀吃水深度、聲速、串口等確保測(cè)深儀正常運(yùn)行，然后建立坐標(biāo)庫(kù)、設(shè)置記錄間隔、記錄限制、記錄坐標(biāo)類(lèi)型。設(shè)置完成后點(diǎn)擊“測(cè)深”，檢查設(shè)置的各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否有誤、測(cè)量數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定，確認(rèn)設(shè)置數(shù)據(jù)無(wú)誤且測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后點(diǎn)擊“記錄”，開(kāi)始測(cè)深并記錄數(shù)據(jù)。為保證在承臺(tái)范圍內(nèi)采集數(shù)據(jù)，測(cè)深儀可直接調(diào)入已繪制好的DXF-2004格式的承臺(tái)區(qū)域線(xiàn)路圖，按測(cè)深儀顯示所在位置指導(dǎo)測(cè)量船在承臺(tái)區(qū)域范圍內(nèi)沿規(guī)劃線(xiàn)路行駛采集數(shù)據(jù)。

4.6內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

將測(cè)深儀記錄的數(shù)據(jù)采集文件導(dǎo)入工作電腦，把經(jīng)過(guò)采樣處理的水深文件在數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，生成常見(jiàn)的數(shù)據(jù)XYZ格式或者CASS格式。格式轉(zhuǎn)換成功后，即可拷貝出相應(yīng)格式的成果文件進(jìn)行更進(jìn)一步的繪圖處理，然后繪制成圖反饋到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工（圖4）。外業(yè)測(cè)量時(shí)由于水中情況復(fù)雜，受水草、魚(yú)群等雜物的影響有可能出現(xiàn)干擾波、二次或三次回波，處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)剔除干擾回波數(shù)據(jù)再進(jìn)行展點(diǎn)繪圖。

5測(cè)量注意事項(xiàng)及應(yīng)對(duì)措施

（1）換能器在測(cè)量船上安裝，一般選擇在船的兩側(cè)船舷1/3～1/2處。因?yàn)檠b在船頭顛簸太大，裝在船尾，又會(huì)因尾流氣泡影響測(cè)深回波。換能器吃水要小于船的吃水，因此要防止測(cè)量船擱淺或在復(fù)雜地形行駛時(shí)對(duì)換能器造成損壞。

（2）GPS-RTK接收機(jī)與測(cè)深儀換能器應(yīng)固定安裝在同一豎直面上，且換能器盡量保持垂直，確保GPS-RTK接收的數(shù)據(jù)與換能器接收的數(shù)據(jù)相統(tǒng)一。

（3）根據(jù)實(shí)際水深選擇適當(dāng)聲速，確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（4）注意測(cè)深儀“脈寬選擇”選項(xiàng)的勾選，大多數(shù)情況下水底面回波脈沖寬度是最大的而干擾信號(hào)和二次、三次回波脈沖寬度相對(duì)要小，該選項(xiàng)有助于處理數(shù)據(jù)時(shí)剔除干擾信號(hào)及二次、三次回波數(shù)據(jù)。

（5）測(cè)深儀調(diào)入計(jì)劃區(qū)域線(xiàn)路圖后，嚴(yán)禁修改坐標(biāo)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換參數(shù)防止出現(xiàn)坐標(biāo)錯(cuò)誤，如需修改可以新建任務(wù)。

（6）測(cè)深儀記錄格式設(shè)置時(shí)必須選擇經(jīng)緯度，如選擇直角坐標(biāo)可能會(huì)在后期處理中無(wú)法識(shí)別正確的位置信息。

（7）測(cè)量前后都需要對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)，保證所采集的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，并在測(cè)深儀測(cè)量前后，對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，保證水深測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性。

（8）GPS-RTK基準(zhǔn)站要求架設(shè)在偏高且空曠的場(chǎng)地，不宜遠(yuǎn)離測(cè)區(qū);接收機(jī)上方無(wú)遮擋，遠(yuǎn)離高壓線(xiàn)、通信塔等干擾源，以保證GPS-RTK移動(dòng)站實(shí)時(shí)達(dá)到固定解。

（9）準(zhǔn)備充足電量的外接電源，測(cè)量過(guò)程中不能突然斷電，防止損壞測(cè)量?jī)x器或?qū)е聹y(cè)量數(shù)據(jù)丟失。

6結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)水深測(cè)量模式相比，GPS-RTK結(jié)合回聲測(cè)深儀測(cè)量系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）測(cè)量作業(yè)速度快、數(shù)據(jù)精度高、誤差小、數(shù)據(jù)間距整齊。

（2）三維坐標(biāo)采集一次完成，不受氣溫、通視、距離等條件的局限，可隨時(shí)作業(yè)。

（3）自動(dòng)化程度高，從測(cè)量數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、成圖基本都由儀器軟件自動(dòng)完成，規(guī)避了人工處理大量數(shù)據(jù)的繁瑣及計(jì)算出錯(cuò)、數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）測(cè)量技術(shù)的不斷更新減少了測(cè)量作業(yè)人員數(shù)量，降低了測(cè)量外業(yè)工作強(qiáng)度，改變了作業(yè)環(huán)境，從而減少了費(fèi)用支出，帶動(dòng)了水下測(cè)量進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代。

（5）隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新、發(fā)展，多種類(lèi)測(cè)量?jī)x器實(shí)施聯(lián)合測(cè)量將有更加廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊慧，武宜壯.GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技傳播，2012（8）：145，159.

[2]李況鐸.GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量的時(shí)間延遲測(cè)定[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2012（17）：9-10.

[3]宋長(zhǎng)軍.GPS-RTK與邊角交會(huì)相結(jié)合測(cè)圖根控制[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2010（11）：22-23.

[4]張喜宏.GPS-RTK在地質(zhì)測(cè)繪中的應(yīng)用和探討[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（23）：91-92.

[5]龍晶.GPS-RTK與全站儀聯(lián)合作業(yè)在數(shù)字測(cè)圖中的應(yīng)用[J].住宅與房地產(chǎn)，2017（17）：248.