RTK結(jié)合M9在某水庫(kù)地形測(cè)量中的應(yīng)用

梁 帥

（遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001）

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK（Real Time Kinematic）是全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合的載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)，能夠提供實(shí)時(shí)的測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果。本文以某水庫(kù)工程為例，利用實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)（RTK）采集水庫(kù)岸上部分坐標(biāo)，利用M9 測(cè)深系統(tǒng)采集水庫(kù)水面平面坐標(biāo)和實(shí)時(shí)水深，并經(jīng)后期數(shù)據(jù)處理得到統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)下的三維坐標(biāo)，之后利用成圖系統(tǒng)生成三維地形圖，為水庫(kù)地形測(cè)量提供新思路。

1 工程概況

某水庫(kù)由土壩、溢洪道、輸水洞3部分組成。壩長(zhǎng)1 768.0 m，壩頂寬6.0 m，最大壩高9.4 m。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a 一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300 a 一遇，水庫(kù)校核洪水位22.85 m，總庫(kù)容1479 萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水位22.38 m，最大下泄流量333 m3/s。水庫(kù)樞紐工程等別為Ⅲ等，永久性建筑物等級(jí)為3級(jí)，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，高程基面采用假定基面。

2 地形測(cè)量

水庫(kù)地形測(cè)量包括岸上部分和水下部分，一般作業(yè)內(nèi)容包括控制測(cè)量、測(cè)深點(diǎn)定位、測(cè)深、判別底質(zhì)和繪制地形圖，測(cè)量時(shí)多采用斷面法或散點(diǎn)法。為了便于后期數(shù)據(jù)處理，在水庫(kù)水位平穩(wěn)期進(jìn)行測(cè)量，避免水庫(kù)放水對(duì)測(cè)量的影響。同時(shí)為了限制誤差的累積和傳播，保證水庫(kù)地形測(cè)圖的精度和速度，測(cè)量工作需按照“從整體到局部，先控制后碎部”的原則，先進(jìn)行整個(gè)水庫(kù)的控制測(cè)量，之后進(jìn)行碎部測(cè)量，控制測(cè)量其實(shí)質(zhì)就是測(cè)量控制點(diǎn)的平面位置和高程，之后在利用測(cè)得的平面坐標(biāo)和高程生成水庫(kù)三維地形圖。

2.1 岸上地形測(cè)量

岸上地形測(cè)量一般可采用GPS 儀器中電臺(tái)模式或CORS 模式進(jìn)行測(cè)量，坐標(biāo)系統(tǒng)一般采用CGCS2000。本文岸上地形測(cè)量采用GPS 中CORS模式進(jìn)行測(cè)量。要求基準(zhǔn)站和流動(dòng)站衛(wèi)星定位天線平面15°仰角以上無(wú)大片障礙物阻擋衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)遠(yuǎn)離無(wú)線電發(fā)射源及高壓線等；在衛(wèi)星定位作業(yè)過程中，有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)不少于4顆，空間精度因子PDOP 值不大于5。首先利用藍(lán)牙將手簿和主機(jī)進(jìn)行連接，接著新建工程，輸入工程測(cè)量名稱；然后，新建坐標(biāo)系統(tǒng)，同時(shí)更改中央子午線，坐標(biāo)系統(tǒng)選用CGCS2000，以便于后期數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換；之后設(shè)置衛(wèi)星高度截止角cut off并按照給定的賬號(hào)密碼將儀器接入CORS 站系統(tǒng)，利用CORS 模式進(jìn)行測(cè)量；同時(shí)PDOP 精度因子設(shè)置成小于5，待儀器成固定解狀態(tài)開始進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量過程中需要掌握地形變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同時(shí)隨時(shí)查看衛(wèi)星數(shù)量及解的狀態(tài)，保證在固定解狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)，并對(duì)水庫(kù)中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，比如固定點(diǎn)高程等，以便于后期高程的統(tǒng)一。同時(shí)，測(cè)量時(shí)需要對(duì)水庫(kù)水面線進(jìn)行測(cè)量，并繪制草圖，標(biāo)記水庫(kù)水面線關(guān)鍵點(diǎn)。測(cè)量結(jié)束后需要將測(cè)量的文件導(dǎo)出，主要內(nèi)容有點(diǎn)號(hào)、東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、高程、經(jīng)度、緯度、解狀態(tài)、測(cè)量時(shí)間等數(shù)據(jù)，后期可根據(jù)需要選取數(shù)據(jù)。

2.2 水下地形測(cè)量

水下地形測(cè)量采用M9搭載實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)（RTK）配置模式，該模式中主機(jī)PCM中增加了RTK相關(guān)模塊及擴(kuò)頻無(wú)線電臺(tái)，需要在岸邊設(shè)立單獨(dú)的RTK 基站；該RTK 基站系統(tǒng)主要由RTK GPS接收器、外置的高增益GPS 天線、擴(kuò)頻無(wú)線電臺(tái)調(diào)制解調(diào)器、外置高增益電臺(tái)天線和三腳架組成；在工作時(shí)岸邊的RTK基站和船上的ADP以10Hz的采樣頻率接收GPS 定位數(shù)據(jù)，同時(shí)RTK GPS 以1Hz 的采樣頻率從RTK 基站的擴(kuò)頻無(wú)線電臺(tái)給安裝在船體上的主機(jī)PCM提供校正信號(hào)；RTK模式的定位精度能夠達(dá)到±3 cm，精度很高，能夠滿足測(cè)量要求。

本文水下地形測(cè)量采用機(jī)船搭載M9 進(jìn)行測(cè)量。利用M9 進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)，首先需要連接好儀器，在岸邊架設(shè)RTK 基站，基站架設(shè)應(yīng)選在地基牢固、地勢(shì)相對(duì)較高且便于安置儀器的地方，周圍無(wú)高度角超過15°的障礙物，無(wú)強(qiáng)烈干擾接收衛(wèi)星信號(hào)或反射衛(wèi)星信號(hào)的物體。測(cè)量開始前檢查M9 各儀器的狀態(tài)；之后設(shè)置M9 相關(guān)參數(shù)，如磁偏角、換能器入水深、鹽度、篩選距離、水深參考和坐標(biāo)系統(tǒng)等參數(shù)，RTK 鎖定一般需要10 min 左右，需要等主機(jī)PCM 中GPS 信號(hào)指示燈變綠后才能進(jìn)行測(cè)量；其次在正式測(cè)量前需要對(duì)儀器進(jìn)行羅盤校正和系統(tǒng)測(cè)試，待儀器一切正常后才能開始操作。正式開始以后，需要在劃定的水面范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)機(jī)船駕駛應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)，在走航起步時(shí)應(yīng)緩慢，測(cè)量過程中應(yīng)盡量勻速前進(jìn)，船速不宜過大；在走航結(jié)束時(shí)應(yīng)緩慢減速，整個(gè)測(cè)量過程中要避免急速轉(zhuǎn)彎、急停等操作。儀器走航的密度取決于水庫(kù)水下地形的復(fù)雜程度，在水庫(kù)重點(diǎn)地形區(qū)域，走航密度可以加大。由于水庫(kù)水面面積相對(duì)較大，測(cè)量時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要標(biāo)定測(cè)量線，按照規(guī)定的測(cè)線進(jìn)行測(cè)量，以避免遺漏區(qū)域。由于M9 測(cè)量時(shí)采集數(shù)據(jù)速率很快，可以達(dá)到每秒1 組數(shù)據(jù)，結(jié)合船速的控制，可以做到每幾十厘米就有一組數(shù)據(jù)，精度較高。測(cè)量結(jié)束后使用RiverSurveyorLive 數(shù)據(jù)處理軟件從記錄器中下載完整的.riv格式文件，計(jì)算機(jī)中保存的.rivr 文件數(shù)據(jù)是不完整的，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)出ASCII 數(shù)據(jù)，之后對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。導(dǎo)出的數(shù)據(jù)坐標(biāo)為經(jīng)緯度格式，需要使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件或Arcgis 對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行批量處理，以滿足后期數(shù)據(jù)處理的要求。

3 數(shù)據(jù)處理和圖形繪制

將GPS 和M9 測(cè)量的數(shù)據(jù)導(dǎo)出后進(jìn)行整理，首先根據(jù)岸上部分水庫(kù)水面線的數(shù)據(jù)計(jì)算水庫(kù)靜水狀態(tài)下的水面高程，并用次高程依次減去M9 換能器入水深和M9所測(cè)的垂直波束水深，進(jìn)而得到M9所測(cè)數(shù)據(jù)水下地形中各點(diǎn)的高程，結(jié)合M9 所測(cè)得經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，初步得到了水庫(kù)水下部分的三維坐標(biāo)高程。GPS 導(dǎo)出數(shù)據(jù)中的東坐標(biāo)、北坐標(biāo)分別為2000 坐標(biāo)系統(tǒng)下的Y坐標(biāo)和X坐標(biāo)，因此需要通過Arcgis 系統(tǒng)軟件將M9 中三維坐標(biāo)系統(tǒng)的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成Y坐標(biāo)和X坐標(biāo)，以統(tǒng)一整個(gè)水庫(kù)的坐標(biāo)系統(tǒng)，便于后期成圖系統(tǒng)生成水系等高線和三維地形圖。

數(shù)字地面模型（DTM），指在一定區(qū)域范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)或三角網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)（X，Y）和其地物性質(zhì)的數(shù)據(jù)集合，如果此地物性質(zhì)是該點(diǎn)的高程Z，則此數(shù)字地面模型又稱為數(shù)字高程模型（DEM）。在地形圖中，等高線是表示地貌起伏的一種重要手段，在繪制等高線之前，必須先將野外測(cè)的高程點(diǎn)建立數(shù)字地面模型（DTM），然后在數(shù)字地面模型上生成等高線，生成等高線以后可以進(jìn)一步繪制水庫(kù)地形圖。首先將處理好的數(shù)據(jù)文件按照點(diǎn)名、空格、東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、高程的順序制成.dat文件，按照成圖軟件的要求定顯示區(qū)，展高程點(diǎn)，建立DTM 文件，之后按照要求選擇合適的高程系數(shù)繪制三維模型。水庫(kù)三維地形圖見圖1。

圖1 三維地形圖

通過水庫(kù)三維地形圖可以比較直觀的看出水庫(kù)的地形變化，了解水庫(kù)岸上和水下部分的變化趨勢(shì)，水庫(kù)是否淤積及淤積地點(diǎn)等，并可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制水庫(kù)庫(kù)容曲線，進(jìn)行水庫(kù)各類參數(shù)的計(jì)算等工作。

4 結(jié)語(yǔ)

利用高精度的實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)結(jié)合M9進(jìn)行水庫(kù)地形測(cè)量具有可行性，測(cè)量數(shù)據(jù)連續(xù)性好，實(shí)時(shí)性好、定位精度高，對(duì)于地形變化的節(jié)點(diǎn)控制性好，保證了地形測(cè)量的完整性和準(zhǔn)確性?；贑GCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK技術(shù)進(jìn)行岸上部分測(cè)量，采用RTK 配置模式下的M9 對(duì)于水庫(kù)三維坐標(biāo)的采集具有突出優(yōu)勢(shì)，后期二者測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合坐標(biāo)換算并經(jīng)特定軟件處理，生成的水庫(kù)三維地形圖能夠直觀地顯示出水庫(kù)地形的變化情況，與傳統(tǒng)地形測(cè)驗(yàn)相比省時(shí)、省力，減少了測(cè)量人員的工作量，提高了地形測(cè)量的效率。