劉文勇,周巨鎖

(國家海洋局南海工程勘察中心,廣東廣州 510300)

基于GDCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在海岸線修測中的應(yīng)用

劉文勇,周巨鎖

(國家海洋局南海工程勘察中心,廣東廣州 510300)

介紹網(wǎng)絡(luò) RTK技術(shù)在海岸線修測中的應(yīng)用,并以廣東省海岸線修測為例,詳細(xì)說明基于 GDCORS的網(wǎng)絡(luò) RTK技術(shù)在海岸線修測中的作業(yè)方法及所起的作用,與常規(guī) RTK相比具有一定的優(yōu)越性,同時進(jìn)一步對網(wǎng)絡(luò) RTK技術(shù)誤差源及解決方法進(jìn)行分析。

網(wǎng)絡(luò)RTK;海岸線修測;誤差

一、引 言

海岸線為平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線,海岸線修測要求按照科學(xué)性、繼承性、通用性、適用性和穩(wěn)定性原則進(jìn)行。海岸線修測以科學(xué)性為基礎(chǔ),嚴(yán)格依照國家有關(guān)法律法規(guī)和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),綜合考慮歷史沿革、管理現(xiàn)狀、用海習(xí)慣以及各部門管理范圍和職責(zé)的合理劃分等社會因素,以 2005年1月 1日作為基準(zhǔn)時間,開展全國海岸線修測工作。

長期以來,由于海岸線的模糊性,引發(fā)出諸多行業(yè)之間、部門之間以及開發(fā)與管理之間的糾紛,影響了社會安定團(tuán)結(jié),制約了海洋資源環(huán)境的開發(fā)與保護(hù),造成海岸線資源的浪費(fèi)與破壞[1]。海洋資源開發(fā)與保護(hù)已被國家納入可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)先支持領(lǐng)域,海岸帶、海域及島嶼資源與環(huán)境依托于海岸線,據(jù)不完全統(tǒng)計,全國 80%的海洋開發(fā)活動集中在海岸線附近?！逗Ｓ蚴褂霉芾矸ā返诙l明確規(guī)定“本法所稱內(nèi)水,是指中華人民共和國領(lǐng)海基線向陸地一側(cè)至海岸線的海域”,可見如果海岸線不明確,則將難以有效貫徹執(zhí)行《海域使用管理法》。因此,海岸線的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對于海洋綜合管理具有非常重要的意義。在加強(qiáng)海洋管理方面,有利于各涉海部門分清管理范圍和責(zé)任,促進(jìn)《海域使用管理法》和相關(guān)涉海法律的有效實(shí)施,有利于海洋資源、土地資源以及水資源的保護(hù)和可持續(xù)利用;在完善國家基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、構(gòu)建我國“數(shù)字海洋”方面,可以明確長期模糊的概念,有利于準(zhǔn)確計算我省海岸線的長度、海域面積和繪制各類相關(guān)基礎(chǔ)圖件等。連續(xù)運(yùn)行參考站 (continuously operating reference stations,CORS)系統(tǒng)的出現(xiàn)和推廣,為精確地測繪海岸線與建立海岸線管理信息系統(tǒng)提供了有效的技術(shù)支持。

本文以廣東省連續(xù)運(yùn)行參考站(GDCORS)系統(tǒng)為例,介紹 GDCORS網(wǎng)絡(luò) RTK技術(shù)在海岸線測量中的應(yīng)用。其總體技術(shù)路線是實(shí)地調(diào)查和遙感調(diào)查相配合,結(jié)合地形圖和歷史資料進(jìn)行綜合分析確定海岸線。點(diǎn)線結(jié)合、突出重點(diǎn),對近年變化較大的區(qū)域進(jìn)行全程測量;沿岸海灣局部有些變化的地點(diǎn)只對變化岸段進(jìn)行修測;對自然基巖海岸則以歷史資料為主,結(jié)合遙感資料的特征點(diǎn)驗(yàn)證確定海岸。

二、測量系統(tǒng)及終端設(shè)備

1.GDCORS

CORS是利用現(xiàn)代計算機(jī)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)(LAN/WAN)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò),實(shí)時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動提供經(jīng)過檢驗(yàn)的不同類型的 GPS觀測值 (載波相位、偽距),各種改正數(shù),狀態(tài)信息以及其他有關(guān) GPS服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng)[2]。

廣東省建成了全國第一個省級參考站,其目標(biāo)是以國土測繪為基礎(chǔ),在高精度的技術(shù)支持下,向社會各界提供高精度的空間定位服務(wù)。

基于VRS技術(shù)的CORS系統(tǒng)包括三個部分：控制中心、固定站和用戶部分。

1)控制中心。整個系統(tǒng)的核心,它既是通信控制中心,也是數(shù)據(jù)處理中心。它通過通信線(光纜、ISDN、電話線)與所有的固定參考站通信;通過無線網(wǎng)絡(luò)(GS M、CDMA、GPRS)與移動用戶通信。由計算機(jī)實(shí)時系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行,控制中心的軟件 GPS—NET,既是數(shù)據(jù)處理軟件,也是系統(tǒng)管理軟件。它處理來自參考站的衛(wèi)星數(shù)據(jù),并用流動站的近似位置來合成靠近流動站的虛擬站,通過無線網(wǎng)絡(luò)向流動站發(fā)送修正數(shù)據(jù)。

2)固定站。固定參考站是固定的 GPS接收系統(tǒng),分布在整個網(wǎng)絡(luò)中,一個 VRS網(wǎng)絡(luò)可包括無數(shù)個站,但最少要 3個站,站與站之間的距離可達(dá)70 km,(傳統(tǒng)高精度 GPS網(wǎng)絡(luò),站間距離不超過10～20 km)。固定站與控制中心之間由通信線相連,固定參考站接收機(jī)通過調(diào)制解調(diào)器、轉(zhuǎn)發(fā)器、互聯(lián)網(wǎng)或其他通信鏈向中央服務(wù)器,將衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)實(shí)時地傳送到控制中心。

3)用戶部分。用戶部分就是指用戶接收機(jī)和無線通信的調(diào)制解調(diào)器。根據(jù)不同需求,放置在不同的載體上,如汽車、飛機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)器、挖掘機(jī)等,當(dāng)然測量用戶也可以把它背在肩上。接收機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)將自己初始位置發(fā)給控制中心,并接收 VRS中央服務(wù)器給出的改正信號,本地的參考站也會生成模擬的數(shù)據(jù)。

2.測量終端設(shè)備

在基于 CORS網(wǎng)絡(luò)的測量系統(tǒng)中,高精度定位數(shù)據(jù)的最終實(shí)現(xiàn)由用戶部分實(shí)現(xiàn),即雙頻的 GPS RTK流動站接收機(jī)和無線通訊的調(diào)制解調(diào)器。

3.網(wǎng)絡(luò) RTK與常規(guī) RTK的對比

GPS實(shí)時載波相位差分 (real t ime kinematic, RTK)技術(shù)是一種將 GPS與數(shù)傳技術(shù)相結(jié)合,實(shí)時解算數(shù)據(jù),在 1～2 s的時間里得到高精度位置信息的技術(shù)。但 RTK技術(shù)有一定的局限性,使其在應(yīng)用中受到限制,主要表現(xiàn)為：①需要架設(shè)本地的參考站;②誤差隨距離增長;③誤差增長使流動站和參考站距離受到限制 (＜15 km);④可靠性和可行性隨距離降低。

而VRS技術(shù)最大意義在于,它將克服以上的局限性,擴(kuò)大 RTK的作業(yè)距離。在VRS網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi),用戶可以獨(dú)自一人在任何測點(diǎn)上采集到厘米級精度的GPS成果。

三、廣東省海岸線修測的主要內(nèi)容

本次廣東省海岸線修測主要依據(jù)《我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項(xiàng)海岸線修測技術(shù)規(guī)程(試行本)》進(jìn)行工作,坐標(biāo)系采用 WGS-84坐標(biāo)系,高斯 3°帶投影;高程基準(zhǔn)采用 1985國家高程基準(zhǔn);本次海岸線修測所采用的方案是利用GDCORS系統(tǒng)支持下的 RTK測量,測量精度可達(dá)厘米級;深度基準(zhǔn)采用理論深度基準(zhǔn)面,成圖比例尺為 1∶50 000。

1.野外修測方法

在分析現(xiàn)有資料 (1∶10 000 DLG數(shù)據(jù)、SPOT 5影像)的基礎(chǔ)上,確定各岸段是需要全線測量還是做驗(yàn)證測量。海岸線的點(diǎn)位按照海岸線的界定原則進(jìn)行判斷,確定后用 RTK技術(shù)沿線采集測量點(diǎn)?；贕DCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)可滿足海岸線修測的平面和高程定位需求。在變化復(fù)雜及有特殊意義的岸段應(yīng)加密觀測點(diǎn) (不同岸線類型交界點(diǎn)、特殊地貌類型及其邊界處、人為因素對海岸線有特殊影響處等)。

2.海岸線修測數(shù)據(jù)處理

海岸線修測數(shù)據(jù)處理主要工作流程如下。

1)站位校核,資料整理。整理現(xiàn)場記錄——《岸線測量登記表》,對現(xiàn)場獲得的照片、短片進(jìn)行篩選和歸類整理;將修測成果統(tǒng)一整理成 DWG格式的 1∶10 000比例尺海岸線修測圖(1980西安坐標(biāo)系,1985國家高程基準(zhǔn))。

2)根據(jù) 1∶10 000比例尺 1980西安坐標(biāo)系數(shù)字正射影像圖,并參考衛(wèi)星影像圖,將 1∶10 000比例尺海岸線修測圖進(jìn)行局部描繪,轉(zhuǎn)換為較圓滑的1∶10 000比例尺海岸線圖。

3)根據(jù)《岸線測量記錄表》,結(jié)合現(xiàn)場照片和影像資料等內(nèi)容,對岸段進(jìn)行分類。再根據(jù) 3°分帶關(guān)系進(jìn)行分帶拼接,形成整個廣東省的高斯投影、3°分帶的海岸線線劃圖。

4)利用已有的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件,通過動態(tài)解算七參數(shù),將基于 1980西安坐標(biāo)系的海岸線轉(zhuǎn)換成基于WGS-84坐標(biāo)系的海岸線。

5)利用 GIS軟件,將海岸線數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫,增加岸線類型屬性字段,根據(jù)岸線類型對其賦值。并根據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行海岸線長度量算,計算出海岸線總長和分類岸線總長。

3.海岸線修測結(jié)果

經(jīng)計算統(tǒng)計,廣東省海岸線總長度為4 063.554 km。其 中 沙 質(zhì) 岸 線 總 長 度 為749.158 km,粉砂淤泥質(zhì)岸線總長度為 89.298 km,基巖岸線總長度為 387.756 km,生物岸線總長度為301.173 km,人工岸線總長度為 2 486.657 km,河口岸線總長度為 49.177 km,河口海岸總長度為 0.335 km。

4.海岸線修測抽檢精度統(tǒng)計

為控制項(xiàng)目質(zhì)量,廣東省海岸線修測驗(yàn)收組對項(xiàng)目進(jìn)行檢查驗(yàn)收,檢查內(nèi)容包括岸線測量登記表、1∶50 000萬分幅圖、海岸線修測報告、元數(shù)據(jù)等。海岸線修測精度分析統(tǒng)計如表 1所示。

表1

四、網(wǎng)絡(luò) RTK的誤差來源分析及解決方法

1.與普通 GPS RTK共有的誤差來源

網(wǎng)絡(luò)RTK與普通 GPS RTK測量方式共有的誤差來源,主要分以下三種[3]：

1)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差。主要包括衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星軌道偏差。

2)與信號傳播有關(guān)的誤差。主要包括電離層折射的影響、對流層折射的影響及多路徑效應(yīng)的影響。

3)與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。主要包括觀測誤差、接收機(jī)鐘差、載波相位觀測的整周未知數(shù)以及天線的相位中心位置偏差。

2.與網(wǎng)絡(luò) RTK系統(tǒng)相關(guān)的誤差來源

網(wǎng)絡(luò) RTK要依靠網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和外業(yè)用戶間的數(shù)據(jù)傳輸鏈(撥號和廣播),因此,網(wǎng)絡(luò) RTK也受到網(wǎng)絡(luò)的部分影響。

1)流動站用戶作業(yè)時需要把 NMEA協(xié)議的GGA信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò) RTK控制中心,該 GGA信息將作為虛擬站的位置,并內(nèi)插出該點(diǎn)的改正信息作為流動站的改正量。這樣,當(dāng)流動站觀測條件很差,長時間得不到有效精度的 GGA信息時,流動站接收的差分信息對流動站的實(shí)際位置不一定合適。

2)網(wǎng)絡(luò) RTK連續(xù)作業(yè)時,為保證其實(shí)時性及效率,網(wǎng)絡(luò) RTK系統(tǒng)并沒有重新生成虛擬站位置及數(shù)據(jù),在一定范圍內(nèi)仍采用初始已得固定點(diǎn)位的差分信息。

3)在誤差模型方面,如果電離層和對流層強(qiáng)烈活動,造成采用的模型不正確,根本無法確定實(shí)時獲得的流動站點(diǎn)位成果的實(shí)際可靠性程度。

3.GDCORS對誤差的解決

(1)解決與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

該誤差來源,無論是普通 GPS RTK還是網(wǎng)絡(luò)RTK,均采用基本相同的方式解決。對于衛(wèi)星鐘差均是通過鐘差模型(由導(dǎo)航電文提供)改正后,通過同步觀測值差分的方法消除;對于衛(wèi)星軌道偏差,也均是通過同步觀測值求差來解決。相比較而言,由于在網(wǎng)絡(luò) RTK中流動站與VRS站構(gòu)成非常短的基線,其消除與衛(wèi)星有關(guān)的誤差的有效性較明顯[4]。

(2)解決與信號傳播有關(guān)的誤差

在修正此誤差時,網(wǎng)絡(luò) RTK具有比普通 RTK十分明顯的優(yōu)勢。因?yàn)樗试S服務(wù)器應(yīng)用整個網(wǎng)絡(luò)的信息來計算電離層和對流層的復(fù)雜模型;而普通 RTK在對電離層殘差影響的模型化方面能力有限,它用于修正的模型非常簡單,流動站僅能獲取兩個站的數(shù)據(jù)來計算大氣模型。

(3)解決與接收設(shè)備有關(guān)的誤差

對該誤差源,無論是普通 GPS RTK還是網(wǎng)絡(luò)RTK,均采用基本相同的方式解決。網(wǎng)絡(luò) RTK的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其能準(zhǔn)確而快速地解算整周模糊度,從而更快速得到固定解。

(4)VRS的相關(guān)設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)RTK受到其系統(tǒng)的部分影響,可以對VRS進(jìn)行相關(guān)設(shè)置以減少影響。一般采用 Raw Mode,當(dāng)流動站無可用網(wǎng)絡(luò) RTK改正信息時(如整個 CORS網(wǎng)絡(luò)的解算才開始啟動不久)或改正信息質(zhì)量不高(附近基準(zhǔn)站參與模型解算的衛(wèi)星數(shù)少于 5,VRS到附近最近基準(zhǔn)站太近等)時,自動切換到單基準(zhǔn)站的RTK模式,即普通RTK作業(yè)模式。

1)檢測流動站的位置信息。自動檢測接收到的流動站的位置信息是否可靠,可設(shè)置成連接中的流動站發(fā)送的NMEA記錄的HDOP大于10或跟蹤衛(wèi)星數(shù)少于 5顆時忽略該記錄,繼續(xù)等待符合要求的NMEA記錄,并在此期間沒有任何輸出信息。

2)重新定位 VRS位置。當(dāng)連續(xù)作業(yè)時,可不用關(guān)閉連接,只要進(jìn)行一次初始化操作,大大縮短了觀測的時間。當(dāng)新的流動站位置與原 VRS距離大于 5 km時重新自動鎖定VRS位置。

3)默認(rèn)設(shè)置為當(dāng)流動站1min內(nèi)未得到符合要求的NMEA GGA信息時,將強(qiáng)制采用。管理員可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,如當(dāng)電離層活動很劇烈的時候,可以將這一發(fā)送 GGA信息的時間延長。

五、結(jié)束語

采用基于 GDCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)方法采集海岸線修測野外數(shù)據(jù)在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平,保證了作業(yè)數(shù)據(jù)精度的一致性及可靠性,具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1)覆蓋范圍大,使用方便：在大范圍的測繪項(xiàng)目中不需要考慮對已有成果的收集;增加了作業(yè)的范圍。

2)提高了工作效率：在 20天的時間里,已完成400余千米的海岸線測繪,與常規(guī) RTK作業(yè)方法相比,減少了作業(yè)人員,效率提高了一倍以上。

3)質(zhì)量穩(wěn)定、成果精度高：由于減少了已知點(diǎn)測量環(huán)節(jié),全部成果保持了很高的一致性,成果質(zhì)量穩(wěn)定,提高了整體精度。

同時為減少誤差來源,在實(shí)際應(yīng)用中還有以下兩點(diǎn)值得注意：

1)流動站作業(yè)時應(yīng)選擇較好的網(wǎng)絡(luò)接入方式,盡量選擇在電離層活動不太劇烈的時間段觀測,如廣東地區(qū)地處北回歸線附近,下午 2：00—4：00電離層活動異常劇烈,應(yīng)盡量避開這個時間段。

2)網(wǎng)絡(luò) RTK中,網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定是實(shí)時解算誤差模型的前提條件。因此,應(yīng)盡量保證網(wǎng)絡(luò) RTK系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與實(shí)時性,以保證參考站與控制中心網(wǎng)絡(luò)的高速互聯(lián)與穩(wěn)定,使各個參考站觀測數(shù)據(jù)的得到充分利用。

[1] 于永海,苗豐民,王玉廣.基于 3S技術(shù)的海岸線測量與管理應(yīng)用研究[J].地理與地理信息科學(xué),2003(6)：24-27.

[2] 王平.虛擬參考站——GPS網(wǎng)絡(luò) RTK技術(shù)[J].測繪通報,2001(S0)：4-6.

[3] 劉暉,時曉燕,楊沾吉,等.深圳市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)的建立與試驗(yàn) [J].測繪通報,2003(9)：33-36.

[4] 周忠謨,易杰軍,周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用[M].北京：測繪出版社,1997.

[5] 常慶生,唐四元.GPS測量的誤差及精度控制[J].測繪通報,2000(4)：13-15.

Application of GDCORS Based Network RTK Technology to Coastline Revision Survey

L IU Wenyong,ZHOU Jusuo

0494-0911(2010)12-0034-04

P228.4

B

2010-11-26

劉文勇(1976—),男,江西萍鄉(xiāng)人,碩士生,主要從事海洋測繪、海洋工程勘察等方面的技術(shù)與研究工作。