RTK結(jié)合測深儀在羅定市水庫水下地形測量中的應用

曾 彪

(惠州市華禹水利水電工程勘測設計有限公司,廣東 惠州 516000)

0 引言

傳統(tǒng)的水下地形測量方法存在一些局限性,限制了測量的準確性和效率。其中包括:傳統(tǒng)測深方法的不準確性、數(shù)據(jù)獲取困難、數(shù)據(jù)處理繁瑣。因此,需要尋找一種準確、高效的水下地形測量方法來克服傳統(tǒng)方法的局限性,提高測量的精度和效率。結(jié)合RTK技術和測深儀的應用能夠有效解決這些問題,并為水下地形測量帶來新的可能性[1]。

1 RTK和測深儀的原理與特點

1.1 RTK技術的基本原理和工作方式

RTK(Real-Time Kinematic)技術是一種實時動態(tài)差分定位技術,利用全球定位系統(tǒng)(GPS)或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)獲取高精度的位置信息。其基本原理是通過同時觀測接收基準站和移動站接收的衛(wèi)星信號,并通過差分計算來消除大氣延遲、接收機鐘差和衛(wèi)星軌道誤差等因素的影響,從而提供具有厘米級甚至毫米級精度的實時位置解算[2]。

RTK技術的工作方式包括基準站和移動接收機兩部分。基準站通過接收來自衛(wèi)星的信號并進行測量,將測量結(jié)果傳輸給移動接收機。移動接收機同時接收來自衛(wèi)星的信號和基準站傳輸?shù)臄?shù)據(jù),通過差分計算得到高精度的位置解算結(jié)果。RTK技術具有實時性和高精度的特點,適用于需要高精度定位的測量任務。

1.2 測深儀的原理和功能

測深儀是一種用于測量水體深度的設備,可以實時獲取水深數(shù)據(jù)。常見的測深儀包括聲學測深儀和雷達測深儀兩種類型。聲學測深儀利用聲波在水中傳播的原理進行測量,它發(fā)送聲波信號并記錄信號的反射時間,根據(jù)聲速和時間差計算水深。聲學測深儀適用于不同水體環(huán)境,可以測量較大深度的水域。雷達測深儀則利用電磁波在水中的傳播進行測量。它發(fā)送電磁波信號,并通過接收反射信號的時間差計算水深。雷達測深儀適用于淺水區(qū)域,具有快速測量和高精度的特點。測深儀的功能不僅限于測量水深,還可以提供水下地形的信息,如水底地貌、沉積物分布等。它們可以與其他測量設備結(jié)合使用,如RTK技術,以獲取更全面和精確的水下地形數(shù)據(jù)[3]。

測深儀搭載RTK的測量方法實現(xiàn)了自動定位與測深一體化,作業(yè)效率大幅提升,在大中型水庫水下測量中具有較大優(yōu)勢,現(xiàn)在已廣泛應用。采用這種方法,水底高程可以通過公式(1)獲取,水深可以通過公式(2)獲取。其中H為水底高程,HS為水深,HG為RTK接收機高程值,H1為RTK接收機至水面的距離,H2為測深儀換能器至水面的距離,H3為測深儀換能器至水底的距離(圖1)。

圖1 基于RTK測深原理

H=HG-H1-H2-H3

(1)

HS=H2+H3

(2)

2 RTK與測深儀相結(jié)合的優(yōu)勢

2.1 實時高精度定位的優(yōu)勢

表1是RTK與測深儀相結(jié)合的實時高精度定位技術的主要特點。RTK與測深儀相結(jié)合的實時高精度定位技術具有高精度性能、實時性、即時糾正、高效性和多樣性應用等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得該技術成為現(xiàn)代測量領域中重要的定位方法,為各種應用提供了準確可靠的位置信息[4]。

表1 實時高精度定位技術的主要特點

2.2 深度測量的準確性和效率提升

(1) 準確性提升:結(jié)合RTK與測深儀,利用GPS觀測數(shù)據(jù)進行基線解算和數(shù)據(jù)處理,修復和刪除低質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù),確保深度測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。通過基線解算和分析,得到各時段的GPS基線向量和方差-協(xié)方差矩陣,提高深度測量的準確性。

(2) 效率提升:采用GPS觀測數(shù)據(jù)處理軟件對基線進行分析、解算和處理,通過自動化的處理流程,逐步獲取精確的基線處理結(jié)果。這種自動化的處理流程大大提高了深度測量的效率,減少了人工處理的時間和工作量。

(3) 數(shù)據(jù)一致性檢查:對于閉合差和重復邊的計算,通過檢查和比較同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復環(huán)閉合差,確保測量數(shù)據(jù)的一致性。這樣可以排除數(shù)據(jù)異常和錯誤,提高深度測量結(jié)果的可信度。

(4) 精度要求提升:在深度測量中,通過建立GPS(E)級網(wǎng)和一級導線網(wǎng),以及布設圖根控制點,滿足測圖的精度要求。在控制網(wǎng)絡的建立和測量過程中,采用高精度的測量設備和方法,進一步提升深度測量的準確性。

通過RTK與測深儀相結(jié)合的方法,深度測量可以獲得更準確的結(jié)果,并且在時間和人力成本上實現(xiàn)更高效的測量過程。通過提升準確性、優(yōu)化處理流程、進行數(shù)據(jù)一致性檢查和滿足精度要求的控制網(wǎng),深度測量的準確性和效率得到了顯著的提升[5]。

2.3 數(shù)據(jù)融合與地形建模的優(yōu)勢

(1) 數(shù)據(jù)多源融合:在數(shù)據(jù)融合與地形建模過程中,通過結(jié)合RTK與測深儀,同時利用GPS觀測數(shù)據(jù)和測深儀測量數(shù)據(jù),將兩種不同類型的數(shù)據(jù)進行融合。通過綜合利用這些數(shù)據(jù),可以獲得更全面、準確的地形信息,為地形建模提供更豐富的數(shù)據(jù)源。

(2) 數(shù)據(jù)準確性提升:采用RTK與測深儀相結(jié)合的方法,包括GPS觀測數(shù)據(jù)和測深儀測量數(shù)據(jù),可以提高地形數(shù)據(jù)的準確性。通過使用高精度的測量設備和嚴格的觀測方法,保證測量數(shù)據(jù)的準確性,從而提高地形建模的準確性。

(3) 數(shù)據(jù)處理與整合:在數(shù)據(jù)處理和整合過程中,通過專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理和融合,確保測量數(shù)據(jù)的一致性和精確性。將RTK與測深儀的數(shù)據(jù)進行整合,獲得滿足規(guī)范要求的地形數(shù)據(jù),為地形建模提供可靠的數(shù)據(jù)基礎。

(4) 地形建模的精度和真實性提升:通過數(shù)據(jù)融合與地形建模,將融合后的準確地形數(shù)據(jù)應用于地形建模過程中。這樣可以提高地形建模的精度和真實性,使生成的地形模型更符合實際地貌特征,為相關應用領域提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。

通過RTK與測深儀相結(jié)合的數(shù)據(jù)融合與地形建模方法,可以獲得更準確、全面的地形模型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)多源融合、數(shù)據(jù)準確性的提升、數(shù)據(jù)處理與整合以及地形建模的精度和真實性提升,為各種應用領域提供更可靠的地理信息數(shù)據(jù)支持。

3 羅定市水庫地形測量案例研究

本次主要針對羅定市碌包坑水庫、黃膽嶺水庫、黃嶺水庫等6宗水庫進行陸地及水下地形測量。依據(jù)收集的岸線資料及概略水下地形資料布設測線,利用聲速剖面儀、水文資料等確定聲速,按規(guī)范組裝經(jīng)檢校合格的RTK及測深儀作為一套水下高程數(shù)據(jù)采集裝置,岸上地形利用瑞士徠卡公司TCR402的全站儀和中海達公司iRTK2型的RTK進行野外數(shù)據(jù)采集。利用廣東省國土CORS專網(wǎng)卡獲取精確的三維坐標,并對測深儀進行坐標和高差改正,參數(shù)設置完成后用測深儀進行測深,經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量檢驗后,形成水下地形測量成果(圖2)。

圖2 水下地形測量流程圖

3.1 陸地地形測量

地形圖測繪采用了瑞士徠卡公司TCR402的2”全站儀和中海達公司iRTK2型的RTK進行野外數(shù)據(jù)采集。使用GPS-RTK和全站儀直接儲存兩種方式進行野外數(shù)據(jù)采集,并按照規(guī)范要求進行實測工作。為了獲取準確的高程信息,特別對于難以用極坐標方法實測的點,采用加測輔助點和加量輔助邊的方式,并在室內(nèi)利用觀測數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)處理和成圖采用南方儀器公司的CASS10.1軟件,實現(xiàn)數(shù)字化地形圖繪制和分層管理。

3.2 水下地形測量

羅定市小水庫群的水下地形測量設備采用RTK和中海達測深儀HD-MAX相結(jié)合。野外數(shù)據(jù)采集點密度按照規(guī)范進行實測,包括水下高程點的采集。測量方法包括利用HD-MAX測深儀和GPS接收機連接,實時動態(tài)定位獲取測量點的平面坐標和實時水面高程,并結(jié)合測深儀的水深信息實現(xiàn)水下地形測量。水深測量前后進行檢測和校正,確保測量結(jié)果的準確性和可靠性,如圖2所示。

(1)利用HD-MAX雙頻測深儀和GPS接收機連接,形成一個完善的水上測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),利用RTK實時動態(tài)定位的優(yōu)勢,獲取每個測量點的平面坐標及實時的水面高程,加上測深儀所測得的水深,可以實現(xiàn)無驗潮水下地形測量。

(2)每次作業(yè)前,應分別在靜水和動水條件下,用檢測板對測深儀進行比對,測定測深儀的合理實際聲速,符合要求后才進行作業(yè),作業(yè)后應再次進行檢測。水位觀測于水深測量測前10分鐘開始,測后10分鐘結(jié)束。

(3)測線方向:本次水下主測線方向垂直于壩軸線方向布設。

(5)本次外業(yè)數(shù)據(jù)檢查采用布設檢查線的方式進行,檢查線基本垂直于主測深線,檢查線總長度大于主測深線長度的5%。

(6)對河道水深小于1 m的區(qū)域采用測深桿進行水下高程點采集。

(7)根據(jù)《測繪作業(yè)人員安全規(guī)范》(CH 1016-2008)及水上作業(yè)的相關要求,采取有效的措施如佩戴救生衣來確保作業(yè)人員及儀器的安全。

3.3 斷面測量

對于水下斷面測量分兩種情況:水不深的區(qū)域采用RTK+探測桿法進行水下高程點采集,水較深的區(qū)域采用沖鋒舟配中海達HD-MAX測深儀進行水下測量。內(nèi)業(yè)成圖采用南方儀器公司的CASS10.1軟件進行數(shù)字化成圖,提供符合AUTOCAD2000格式的DWG圖。

3.4 檢查驗收與精度評定

地形測量和斷面測量實行三級檢查。首先由測量組自檢,發(fā)現(xiàn)問題后進行改正。然后由工地項目組進行檢查,確保測量質(zhì)量符合設計施工要求。最后由院總公辦派人進行最終的檢查驗收。檢查方法包括100%的外業(yè)巡視和設站檢查。質(zhì)量檢查中對主測線與檢查線76 582個重合水下高程點進行計算,10 m以內(nèi)中誤差為0.14 m,10～20 m中誤差為0.17 m,差值統(tǒng)計見表2。經(jīng)過檢查和精度評定,測量質(zhì)量能夠滿足要求。

表2 主測線與檢查線重合水下高程點差值統(tǒng)計表

以上是對羅定市小水庫群進行陸地及水下地形測量和斷面測量的方法和過程進行的案例研究。這些測量數(shù)據(jù)對于羅定水庫的規(guī)劃、設計和施工提供了準確可靠的地形信息,為水庫工程的順利進行提供了重要支持。

4 應用前景與挑戰(zhàn)

4.1 RTK結(jié)合測深儀在水下地形測量中的潛力

(1)高精度測量:RTK技術能夠提供高精度的水平位置信息,與測深儀結(jié)合使用可以實現(xiàn)對水下地形的準確測量,提供精確的地形數(shù)據(jù)。

(2)實時性和效率:RTK技術實時動態(tài)定位,可以快速獲取位置信息,結(jié)合測深儀的即時測量,能夠?qū)崿F(xiàn)高效的水下地形測量,提高工作效率。

(3)無需驗潮:利用RTK技術和測深儀進行水下地形測量,不需要依賴潮汐數(shù)據(jù)來進行高程校正,可以實現(xiàn)無驗潮的地形測量,節(jié)省了時間和成本。

數(shù)據(jù)融合:結(jié)合RTK和測深儀獲取的數(shù)據(jù),可以進行數(shù)據(jù)融合和整合,生成完整的水下地形模型,為水利工程、海洋研究等領域提供準確的地形信息。

4.2 技術應用的限制和改進方向

盡管RTK結(jié)合測深儀在水下地形測量中具有潛力,但也存在一些技術應用的限制和挑戰(zhàn),需要進一步改進和解決:

(1)水下環(huán)境的限制:水下環(huán)境復雜多變,存在水流、波浪、潮汐等因素的干擾,對RTK和測深儀的性能和準確度提出了要求。未來需要研發(fā)更穩(wěn)定、適應不同水下環(huán)境的測量設備和技術。

(2)多路徑效應:水下信號傳播存在多路徑效應,可能導致測量誤差和不穩(wěn)定性。需要改進信號處理和濾波算法,減小多路徑效應對測量的影響,提高測量精度和可靠性。

(3)測量設備的便攜性和可靠性:在水下地形測量中,需要便攜性好、耐用性強的測量設備。當前的RTK和測深儀設備已經(jīng)有了一定的便攜性,但仍需要進一步改進以滿足復雜水下環(huán)境的要求。同時,設備的可靠性也是關鍵因素,需要提高設備的穩(wěn)定性和抗干擾能力,以確保長時間的水下測量工作的可靠性。

(4)數(shù)據(jù)處理與分析:水下地形測量所獲取的大量數(shù)據(jù)需要進行有效的處理和分析。在數(shù)據(jù)處理方面,需要開發(fā)高效的算法和軟件工具,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的準確融合、地形模型的生成和可視化展示。此外,對于水下地形數(shù)據(jù)的分析和應用,還需要進一步研究和開發(fā)相關的方法和工具。

(5)數(shù)據(jù)精度和標準化:水下地形測量的精度要求較高,對于一些特定的水利工程和海洋研究應用,可能需要更高精度的數(shù)據(jù)。因此,需要不斷提升測量設備的精度,并制定相應的數(shù)據(jù)標準和質(zhì)量控制規(guī)范,確保水下地形數(shù)據(jù)的準確性和可比性。

5 結(jié)語

RTK結(jié)合測深儀在水下地形測量中具有廣闊的應用前景。隨著技術的不斷發(fā)展和改進,我們可以期待更先進、更可靠的測量設備和數(shù)據(jù)處理方法的出現(xiàn),進一步提高水下地形測量的精度和效率,為水利工程、海洋研究等領域提供更可靠、更準確的地形信息。