曹 明，趙傳虎

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州310006；2.中核撫州金安鈾業(yè)有限公司，江西 撫州344301）

由于斷面水位測(cè)量中水位存在變化，因此，借助Kalman濾波對(duì)連續(xù)觀測(cè)高程序列進(jìn)行濾波處理，消除粗差的影響。

觀測(cè)量Lk只有高程h，并形成觀測(cè)向量h3×1＝［h 0 0］和狀態(tài)向量X3×1＝［h ˙h ¨h］，則觀測(cè)和的狀態(tài)方程為

內(nèi)河水位中的城市流域水位會(huì)直接影響沿岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)其進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，可及時(shí)掌握水位的變化，實(shí)現(xiàn)汛期的科學(xué)決策和調(diào)動(dòng)。綜合國(guó)內(nèi)外水文監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，由于當(dāng)前采用的水位監(jiān)測(cè)手段比較落后，仍采用常規(guī)的光學(xué)觀測(cè)和人工觀測(cè)，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且觀測(cè)成果存在滯后性，其在水位監(jiān)測(cè)精度、自動(dòng)化程度和遙報(bào)水平等方面還存在很大的不足。此外，基于RTK的水位監(jiān)測(cè)需要無(wú)線電通訊，但無(wú)線電通訊距離有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全流域精確定位，水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性都難以得到保證。

1 主要研究?jī)?nèi)容

本文研究的工作主要包括以下4個(gè)方面:系統(tǒng)數(shù)據(jù)流分析、移動(dòng)水位監(jiān)測(cè)的原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研制；野外數(shù)據(jù)采集單元及中心處理單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研制；理論模型分析和研究；系統(tǒng)綜合測(cè)試。根據(jù)這幾個(gè)方面的主要研究?jī)?nèi)容，分析了系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)了野外觀測(cè)單元及中心單元的組成及相互關(guān)系，給出了系統(tǒng)工作的簡(jiǎn)要流程。

對(duì)于監(jiān)控中心單元，數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，在中心單元需要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收。編制程序?qū)用艿木幋a進(jìn)行解密處理，并對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。

2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 野外數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

2.1.1 GPS單元

GPS是野外數(shù)據(jù)采集單元的核心。為實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的準(zhǔn)確、機(jī)動(dòng)采集，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)內(nèi)容，達(dá)到高精度水位測(cè)量目的，研究中采用的GPS單元為中海達(dá)V8CORS RTK系統(tǒng)，該系統(tǒng)為雙頻GPS接收機(jī)，該接收機(jī)具有精度性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，可全面無(wú)縫地兼容CORS系統(tǒng)。

2.1.2 天津CORS系統(tǒng)

連續(xù)運(yùn)行 GNSS參考站（Continuous Operational Reference System 簡(jiǎn)稱CORS）也稱為永久參考站，是由一個(gè)或若干個(gè)固定的連續(xù)運(yùn)行GNSS參考站組成，并將衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)管理技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集于一體的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的RTK技術(shù)相比較，CORS具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):

1）具有跨行業(yè)特性，可面向不同類型的用戶，不再局限于測(cè)繪領(lǐng)域及設(shè)站的單位與部門；

2）可同時(shí)滿足不同需求的用戶在實(shí)時(shí)性方面的差異，能同時(shí)提供RTK、DGPS靜態(tài)或動(dòng)態(tài)后處理及現(xiàn)場(chǎng)高精度、準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位的數(shù)據(jù)服務(wù)；

3）能兼顧不同層次的用戶對(duì)定位精度指標(biāo)要求，提供覆蓋米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)采用天津CORS系統(tǒng)作為定位系統(tǒng)。天津市GPS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量的空間三維位置精度優(yōu)于±0.028m，在系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)定位結(jié)果精度高精度分布相對(duì)均勻。

2.1.3 手簿軟件設(shè)計(jì)

中海達(dá)V8CORS RTK接收機(jī)采用Q5GIS數(shù)據(jù)采集器，常用的功能不能滿足項(xiàng)目需要的水位采集功能。為此，研制了適用于本項(xiàng)目的手簿數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的手簿軟件基于windows mobile嵌入系統(tǒng)，為提高軟件的處理速度和穩(wěn)定性，采用VC＋＋語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)具備如下功能:

1）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。系統(tǒng)為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供了4參數(shù)和7參數(shù)模型，將CORS所得的WGS84轉(zhuǎn)換成北京54坐標(biāo)。

2）高程轉(zhuǎn)換。CORS測(cè)量數(shù)據(jù)是基于 WGS84的大地高程，而水位測(cè)量需要的是1985國(guó)家高程，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，程序設(shè)計(jì)了2種轉(zhuǎn)換方式，分別為直接輸入和建立模型。在技術(shù)設(shè)計(jì)的理論研究中，借助GPS／水準(zhǔn)點(diǎn)，構(gòu)建了2次多項(xiàng)式模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。

3）數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置。為保證水位數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，測(cè)量時(shí)對(duì)衛(wèi)星高度角、幾何強(qiáng)度因子PDOP值以及平面和高程定位精度等基本GPS定位參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置。此外，對(duì)數(shù)據(jù)采集間隔也進(jìn)行了設(shè)置。數(shù)據(jù)采樣采用如下設(shè)置方式:自動(dòng)采集和人工設(shè)置。并對(duì)定點(diǎn)水位測(cè)量進(jìn)行濾波處理，如圖1所示。

圖1 測(cè)量數(shù)據(jù)濾波處理

為便于中心系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，手簿程序部分設(shè)計(jì)了屬性輸入功能，并根據(jù)精度要求輸入平滑時(shí)間、dx、dy和dz定位精度要求指標(biāo)。

2.2 中心處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中心監(jiān)控系統(tǒng)主要完成以下工作。

2.2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收顯示

野外觀測(cè)數(shù)據(jù)在中心端可通過(guò)如下兩個(gè)途徑顯示:即文本框和數(shù)據(jù)庫(kù)。且被接收到的所有數(shù)據(jù)均將被追加入數(shù)據(jù)庫(kù)中

2.2.2 流域和水位監(jiān)測(cè)位置顯示

流域和監(jiān)測(cè)位置顯示系統(tǒng)主要完成整個(gè)流域分布及當(dāng)前水位監(jiān)測(cè)位置。為實(shí)現(xiàn)該功能，啟用了天津市電子地圖。并對(duì)電子地圖進(jìn)行配準(zhǔn)。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)采用通用的Access數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)了檢索功能，可根據(jù)檢索條件，如時(shí)間、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、斷面等信息進(jìn)行檢索并回放。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究

測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制是移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)水位獲取的重要保障，通過(guò)嚴(yán)密的質(zhì)量控制保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

3.1 質(zhì)量控制

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)質(zhì)量控制采用二級(jí)控制。

3.1.1 第一級(jí)控制

即對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。GPS定位結(jié)果輸出的NMEA 0183數(shù)據(jù)格式中包含了定位狀態(tài)參數(shù)，對(duì)于非RTK定位解，在手簿軟件中對(duì)其進(jìn)行了濾波處理，確保高精度定位結(jié)果的可靠。對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行一級(jí)質(zhì)量控制:

1）定位狀態(tài):非RTK定位數(shù)據(jù)將被濾除；

2）PDOP:PDOP小于3的記錄將被濾除；

3）定位精度:定位精度低于5cm的RTK解將被濾除。

完成一級(jí)控制后，數(shù)據(jù)將編碼發(fā)送到指揮控制中心。

3.1.2 第二級(jí)控制

由于GPS從非RTK狀態(tài)到RTK狀態(tài)的過(guò)度時(shí)間段內(nèi)，可能標(biāo)定的狀態(tài)為RTK狀態(tài)，但定位質(zhì)量依然較差，有時(shí)甚至出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差。為此本文研究了二級(jí)控制算法，即根據(jù)測(cè)量對(duì)象，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制采用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn):對(duì)于定點(diǎn)水位測(cè)量，采用2σ原則來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波；對(duì)于連續(xù)斷面水位測(cè)量，采用Kalman濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。

3.1.2.1 定點(diǎn)水位測(cè)量中的濾波方法

定點(diǎn)水位測(cè)量的特點(diǎn)是:較短時(shí)間內(nèi)（1～5min）水位基本不變，而在此期間，按照1Hz的采樣頻率，定位數(shù)據(jù)多達(dá)60～180個(gè)，因此，可以借助2σ原則對(duì)其進(jìn)行濾波處理。

若水位觀測(cè)序列為｛hj，（i＝1，2，3，…，m）｝，則2σ濾波公式為

其中

3.1.2.2 連續(xù)斷面水位測(cè)量中的水位濾波方法

由于斷面水位測(cè)量中水位存在變化，因此，借助Kalman濾波對(duì)連續(xù)觀測(cè)高程序列進(jìn)行濾波處理，消除粗差的影響。

觀測(cè)量Lk只有高程h，并形成觀測(cè)向量h3×1＝［h0 0］和狀態(tài)向量X3×1＝［h˙h¨h］，則觀測(cè)和的狀態(tài)方程為

基于上述觀測(cè)方法和狀態(tài)方程，借助Kalman濾波進(jìn)行解算，可實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)水位測(cè)量數(shù)據(jù)的處理。

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型構(gòu)建

由于系統(tǒng)基于CORS進(jìn)行測(cè)量，而項(xiàng)目需要的坐標(biāo)系統(tǒng)為北京54坐標(biāo)系統(tǒng)，因此，需要轉(zhuǎn)換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)的WGS84坐標(biāo)向北京54坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，用于成果的最終表達(dá)。

由于測(cè)區(qū)較小，本文采用四參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用下式實(shí)現(xiàn)WGS84向BJ54坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

式中:Δx和Δy分別為平移參數(shù)，θ為旋轉(zhuǎn)角，m為尺度因子。

3.3 高程轉(zhuǎn)換模型構(gòu)建

CORS定位直接提供的是基于WGS84大地高，而水位測(cè)量需要的是1985國(guó)家高程或大沽凍結(jié)高程系統(tǒng)，為此，需要將系統(tǒng)實(shí)測(cè)的大地高轉(zhuǎn)換為工程項(xiàng)目需要的高程系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)高程轉(zhuǎn)換，建立如下模型擬合WGS84橢球面到似大地水準(zhǔn)面或大沽凍結(jié)高程基準(zhǔn)面間的分離量，公式為

其中:ξ為GPS水準(zhǔn)點(diǎn)上兩基準(zhǔn)面的分離量。

若h為實(shí)測(cè)大地高，H為需要的高程，則公式為

（ΔB，ΔL）為各個(gè)GPS測(cè)點(diǎn)（B，L）相對(duì)測(cè)區(qū)中心（B0，L0）的坐標(biāo)偏差量，可由下式獲得

本文將小波理論中的Mallat算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法運(yùn)用到交通事故的預(yù)測(cè)中。以某省自2002年-2016年交通事故發(fā)生情況為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，分4個(gè)時(shí)間段分別進(jìn)行交通事故的預(yù)測(cè)分析，從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出本文采用的方法比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接預(yù)測(cè)方法在預(yù)測(cè)精度方面有了較大的提高，由此驗(yàn)證了該方法是合理的。本文的研究為交通事故的預(yù)測(cè)和預(yù)防提供了一定的理論基礎(chǔ)。

式中:n為GPS水準(zhǔn)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了檢驗(yàn)原型系統(tǒng)、軟件以及研究理論算法的穩(wěn)定性和正確性，在天津市的入海河流中進(jìn)行試驗(yàn)。

4.1 通訊試驗(yàn)

通訊是本系統(tǒng)的核心，穩(wěn)定可靠的通訊是確保野外數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾Ｕ稀?/p>

為檢驗(yàn)系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性，在下列情況下實(shí)施了多次、不同環(huán)境下的通訊試驗(yàn):信號(hào)較弱區(qū)域；自動(dòng)和手動(dòng)數(shù)據(jù)采集；高發(fā)射率和低發(fā)射率。

通過(guò)多次的實(shí)地試驗(yàn)，數(shù)據(jù)通訊流暢，即使在數(shù)據(jù)采集過(guò)程因操作失誤出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，手簿也給出了提示功能，并依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的“握手協(xié)議”來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重新連接，確?？蛻舳伺c服務(wù)器的實(shí)時(shí)連接，如圖2、圖3所示。

圖2 手簿主界面

圖3 服務(wù)器與客戶端連接狀態(tài)

4.2 模型精度評(píng)估

4.2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型

首先，對(duì)沿河流均勻分布的23個(gè)點(diǎn)進(jìn)行四參數(shù)計(jì)算，這23個(gè)點(diǎn)同時(shí)具有WGS84坐標(biāo)和BJ54坐標(biāo)。

對(duì)利用沿河流實(shí)測(cè)的GPS水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)獲得測(cè)區(qū)似大地水準(zhǔn)面模型，利用表2中的水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行外部檢核，模型所得正常高h(yuǎn)M與實(shí)際高程h0比較，如表2所示。結(jié)果如表1所示。對(duì)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的點(diǎn)位精度達(dá)到了1.1cm，完全滿足實(shí)際需要。

4.2.2 高程轉(zhuǎn)換模型精度

表1 通過(guò)四參數(shù)轉(zhuǎn)換求得的坐標(biāo)與已知點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比

從表2可以得出，正常高差值得出的似大地水準(zhǔn)面模型的精度為2.41cm，完全滿足實(shí)際應(yīng)用的精度要求。

表2 高程轉(zhuǎn)換模型精度

4.3 軟件系統(tǒng)測(cè)試

整個(gè)軟件系統(tǒng)包括兩個(gè)部分，即野外手簿軟件和中心客戶端軟件。

4.3.1 野外手簿軟件

野外手簿軟件設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集、濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及高程擬合等模塊在試驗(yàn)中得到了檢驗(yàn)，如圖4所示，結(jié)果表明，手簿軟件操作方便、精度高，通訊順暢，數(shù)據(jù)誤碼率低。

圖4 手簿四參數(shù)與高程異常

4.3.2 中心客戶端軟件

客戶端中心處理軟件系統(tǒng)在通訊、數(shù)據(jù)處理、顯示、數(shù)據(jù)管理與輸出等幾個(gè)方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，軟件通訊連續(xù)通暢。在數(shù)據(jù)處理方面能夠根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量有效剔除不符合條件的觀測(cè)數(shù)據(jù)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及高程擬合精度高，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。在主界面顯示方面，能準(zhǔn)確顯示通訊狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前測(cè)點(diǎn)位置和客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

此外，程序的地圖操作工具欄和“鷹眼”功能可以實(shí)現(xiàn)快速地對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行查看，提高地圖的操作效率，如圖5所示。對(duì)利用GPRS實(shí)時(shí)傳送來(lái)的觀測(cè)記錄，系統(tǒng)將直接錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中。

數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和圖形窗口是對(duì)應(yīng)的，對(duì)于一個(gè)新的記錄，程序判斷該記錄屬性是否存在。若為同一點(diǎn)監(jiān)測(cè)記錄，程序?qū)⒏码娮拥貓D上記錄的信息內(nèi)容，并將追加到數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，程序還提供了檢索功能。

右鍵單擊此區(qū)域會(huì)彈出一個(gè)“請(qǐng)輸入檢索條件的對(duì)話框”，此部分會(huì)根據(jù)檢索條件從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出滿足檢索條件的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在此區(qū)域中，可以用作歷史數(shù)據(jù)的回放（見(jiàn)圖6）。

圖5 地形圖鷹眼設(shè)計(jì)

圖6 數(shù)據(jù)檢索

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的研制，形成了基于CORS的移動(dòng)水位測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性以及適用性等方面滿足了水位機(jī)動(dòng)測(cè)量的需要，其作業(yè)模式為一種全新的水位監(jiān)測(cè)模式，具有全天候、機(jī)動(dòng)性、高精度等特點(diǎn)，是當(dāng)前水位監(jiān)測(cè)方法的有力補(bǔ)充。在理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理、管理和顯示軟件系統(tǒng)，具有便于信息直觀掌握、指揮調(diào)度、界面美觀、操作簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，也為多流域水位監(jiān)控和調(diào)度提供了條件。

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