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RTK三维水深测量在感潮河段航道测量中的应用

    更新时间:2018-04-21 10:21:15 

刘永跃

摘 要:本文简要介绍了GPS-RTK三维水深测量方法的原理,在长江下游航道测量中的应用,总结了GPS-RTK三维水水深测量技术在具体工作中的应用方法并验证其正确性与可靠性。分析了RTK三维水深技术相比于传统水下地形测量的优越性。

关键词:航道测量 RTK三维水深测量技术 GPS RTK 基站

1.水下地形测量基本原理

1.1 RTK三维水深测量原理

如图1所示,RTK三维水底地形测量系统的基本原理是:利用GPS实时相位差分(RTK)实时测得的GPS天线精确的三维坐标(x,y,h),结合由测深仪同步测得的换能器至海底的深度H1 ,将由GPS测得的天线高 h换算到同一平面位置上的水下泥面标高H。通俗的讲,RTK三维水深测量就是测深仪测得水深减去RTK潮位,潮位是GPS天线到水准面高减去天线到水面的高;如果是求高程的,就用RTK潮位减去水深。

换算公式如下:

H=h-ΔH1-ΔH2

式中:ΔH2为联结GPS天线与测深仪换能器的联杆长。由于GPS接收仪与测深仪的数据 采集同步进行。因此在上述的测量过程中,无须对水面高程进行测定,即无需看水位。

1.2 高程计算

GPS-RTK 三维水深测量技术,其水底测点的 高程值计算公式如下:

H = hgps - h1- h2

式中:H 是测点高程;

hgps 是GPS相位中心高程;

h1是GPS相位中心至测深仪换能器底部的高度;

h2是换能器底部至水底测点的水深值。

当需要计算测点相对当地理论最低潮面的水深值时,计算公式如下:

H水深= H85-H测点

式中:H水深是测点水深

H85是1985 国家高程基准至理论基面的高差(向上为正)

H测点是观测点85高程值

基于以上方法,我们首先将实测数据整理成采用 1985 国家高程基准表示的测点高程,再将“理基差”减去测点高,得到测点水深值。

1.3 坐标系统

使用RTK技术可以达到精度为2~3cm的平面和高程定位结果,但这一精度是相对于基准站的,换句话说,基准站的平面和高程基准及其精度直接影响RTK三维测量方法结果的精度。因此必须正确选择基准站的平面和高程基准。

RTK三维水底地形测量方法对平面基准的要求和其他测量工作方法是相同的,但高程系统;由于工程项目的设计要求不同,可能有所不同。如采用平均海水面、最低潮位面等。这就需要将GPS测量的高程转换到设计要求的系统中,在小范围(<3km)可以采用平面方法,将GPS高程系统的高程平移到设计高程系统中。

2.航道维护测量中的应用

2.1测区概况

上海航道处辖区负责(江阴黄田港至太仓浏河口)长江下游河段维护工作,干线全长 135.4km,江面开阔,航运及经济发达。由江阴、福姜沙、浏海沙、南通、通州沙、白茆沙、浏河水道、以及北支水道共八个水道组成。每年的航道维护测量及相关测量业务繁忙。

2.2基准站的建立和使用

因为航道测量是长期的,目前长江网络信号覆盖不全,我处辖区网络不稳定,通过建网组成测区控制点网,计算测区的七参数,并建立GPS基站。一般站点的信号在10公里以内,根据仪器性能和测区环境,目前能达到15公里。建网后使用测区江苏CORS基站点与基准站组网复测,以确定基准站是否有位移,保证基准站的坐标正确性。基线解算及网平差数据处理中,选测区周围四个JSCORS点与其联测,四个点的WGS84坐标由JSCORS数据中心提供。基线解算及网平差数据处理采用天宝TBC(Trimble Business Center)软件,其中用到精密星历由德国GNSS数据中心提供。

基线结算中水平中误差最大4mm,最小1mm,平均3mm,高程中误差最大12mm,最小9mm,平均11mm,符合C级网要求,网平差采用拟稳平差的方法,分别选取不同JSCORS点作为WGS84起算点,檢验其它解算点的精度。

2.3 测前准备

2.3.1 仪器设备及成图软件准备

作业采用天宝SPS855 接收机、HY-1601 测深仪、HY-1200 声速剖面仪、清华山维 EPS 软件、HYPACK数据处理软件。

2.3.2 测线布设

水下地形测量采用横断面法施测。在测量前布设好横断面线(简称:计划线)。计划线布设满足如下要求:①计划线的布设方向基本垂直于主泓等深线或岸线。测点间距为图上5m m。②检查线布设方向应基本满足与计划线正交原则。检查线的总长度不低于计划线总长度的5%。③特征地貌水域计划线应加密,其加密原则应满足全面反映特征地物的需要。

2.3.3 软件安装调试

(1)GPS调试:要求选用双频测量型的,配置好GPS接收机的相应参数,如采样率,高度角,断口输出等。

(2)软件设置:建立任务端口配置等把GPS和测深仪数据连接到软件,同时设置坐标系等:如椭球、转换,以及对采集数据的一些参数。

2.4 实地测量

测量步骤:①仪器安装;②平面定位;③参数设置;④检查测深线。

2.5 内业处理

2.5.1 水深改正

由于吃水改正、转速改正及声速改正已在测量现场完成,故内业资料整理计算时对计算机记录的水深值与测深仪记录纸上的模拟水深值进行100%对比检查,纠正各种伪水深值,并对比较明显的水深变化特征点进行挑选摘录,以保证测深精度并如实反映水下地貌。

2.5.2 测深延时校正

本项目采用RTK三维方法进行水深测量,由于定位系统与测深系统存在时间上的不同步,会产生系统性的延时误差;特别是当船速越快时延时误差越明显。因此在水深测量之前我们需要进行延时改正,减小延时对水深测量的影响。

2.5.3 资料后处理数据处理流程

打开原始数据——错误水深剔除——GPS差分状态检查——数据抽稀转换——成图。

2.5.4内业成图

绝对高程图采用1985国家高程基准作为绘图基面;采用理论最低潮面作为绘图基面。在成图软件中直接进行坐标数据的展点,对照测深记录,在已经勾绘等高线基础上,剔除水深数据的粗差,提高数据准确性。依据处理后的数据并结合实际情况绘制图及内业成图。

3.RTK三维法正确性检验

为确定系统的平面及GPS测定高程的正确性,在系统设置完成后,需要对系统进行陆上检测。检测结果如表1。

表1中,前两列表示观测站与参考站名称,后两列表示坐标误差,可以看出RTK三维水深测量误差是厘米级精度,完全满足水下地形测量要求。

4.RTK三维法与传统方法比较

(1)数据处理方便、快捷。(2)操作方便、自动化,作业效率高。(3)無需验潮数据,减少工作量。(4)测量精度高,数据安全可靠。(5)尤其是不好观测潮位的地方,且水位精度要高,同时提高了测量效率和人员安全。(6)缺点是必须用RTK,相对来说设备价格高,配制设备多。(7)个别地方信号会受到地点和时间段的干扰影响。

5.结论

本文通过对 GPS-RTK三维水深测量原理的介绍,论证了其在航道维护测量中的应用,并证实其具有独特的优越性。随着GPS-RTK技术的不断发展,GPS-RTK所得到的数据更加可靠,精度更高,满足各种需求,已经相应设备的费用降低,应用领域大大提高,尤其是相比于传统方式极大地减少劳动力并且提高效率,逐步完善GPS基站使得航道维护测量变得更加轻松、高效,完成日常航道维护测量的要求,并提供社会其他相关服务。

参考文献:

[1]徐绍铨,张华海,杨志强,王泽民.GPS 卫星测量原理与应用[M].武汉测绘科技大学出版社,1998.

[2]胡家明.水上测量新技术[M].北京:人民交通出版社,1984.

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