祁敏敏,陶 宇,李志鵬
(1.浙江省河海測(cè)繪院,浙江 杭州 310008;2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310020)
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基于ZJCORS的RTK三維水深測(cè)量技術(shù)在椒江航道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究
祁敏敏1,2,陶 宇1,李志鵬1
(1.浙江省河海測(cè)繪院,浙江 杭州 310008;2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310020)
與驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮、單基準(zhǔn)站RTK三維水深測(cè)量對(duì)比,突出介紹基于ZJCORS的RTK三維水深測(cè)量作業(yè)模式的優(yōu)點(diǎn),并在椒江航道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中,對(duì)驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮和基于ZJCORS技術(shù)的RTK三維水深測(cè)量作業(yè)模式進(jìn)行對(duì)比研究,探討在浙江省沿海地區(qū)利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)實(shí)施三維水深測(cè)量作業(yè)的可行性,并得出相關(guān)結(jié)論,提出項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)注意的問題。
驗(yàn)潮;RTK三維水深測(cè)量;ZJCORS;航道監(jiān)測(cè)
目前水深測(cè)量中水位獲取的方法主要有驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮和RTK三維水深測(cè)量2種。驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮的方法是在測(cè)深區(qū)域通過設(shè)立1個(gè)或者多個(gè)驗(yàn)潮站控制測(cè)區(qū)水位變化,采用單站水位改正、線性內(nèi)插、水位分帶、時(shí)差法對(duì)測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)水深進(jìn)行水位改正,歸算到深度基準(zhǔn)面上;RTK三維水深測(cè)量的方法是采用單基準(zhǔn)站RTK或網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)與測(cè)深設(shè)備同步采集數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)獲取測(cè)點(diǎn)水位信息。RTK三維水深測(cè)量與驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮相比,能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度獲得測(cè)點(diǎn)位置及水位信息,同時(shí)可以獲取儀器的瞬時(shí)三維姿態(tài),極大地方便了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理,省略了大量、繁瑣的水位站設(shè)置工作,且獲得的水位能夠在一定程度上減弱測(cè)量過程中測(cè)船的升沉對(duì)水深測(cè)量的影響,對(duì)儀器姿態(tài)進(jìn)行了改正,提高了測(cè)量精度。
CORS技術(shù)、單基準(zhǔn)站RTK技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)RTK三維水深測(cè)量,與單基準(zhǔn)站RTK技術(shù)相比,CORS作業(yè)方式時(shí)只需1臺(tái)移動(dòng)接收機(jī),無需架設(shè)基準(zhǔn)站就能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度地測(cè)量,且作業(yè)距離、測(cè)量精度不受移動(dòng)站與基準(zhǔn)站的距離制約,克服了單基準(zhǔn)站RTK技術(shù)水下地形長(zhǎng)距離、大范圍作業(yè)時(shí),由于基準(zhǔn)站作用距離有限而時(shí)常搬站的難題。對(duì)于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的水下地形測(cè)量項(xiàng)目,利用CORS技術(shù)可以有效解決測(cè)量基準(zhǔn)沉降的問題。
目前浙江省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(Zhejiang Continuous Operational Referens System,以下簡(jiǎn)稱ZJCORS)已被大量應(yīng)用于陸域測(cè)繪,但涉及大范圍、大面積海洋測(cè)繪的應(yīng)用并不多。近幾年,浙江省政府大力提倡“發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì),建設(shè)海洋浙江”,海洋測(cè)繪必將起到舉足輕重的作用,可靠、高效、高精度地獲取海洋測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù),滿足生產(chǎn)建設(shè)需要,是新形勢(shì)對(duì)海洋測(cè)繪提出的要求。基于ZJCORS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景,本文探討基于ZJCORS的RTK三維水深測(cè)量技術(shù)在浙江省沿海水下地形測(cè)量的可行性,與應(yīng)用較為成熟的傳統(tǒng)驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮模式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),得出相關(guān)結(jié)論,并提出了基于ZJCORS的RTK三維水深測(cè)量應(yīng)注意的問題。
2.1 ZJCORS站的分布及測(cè)量精度
ZJCORS采用虛擬參考站技術(shù)(VRS),在全省布設(shè)16個(gè)省級(jí)基準(zhǔn)站,站間距離70~80 km;加密建設(shè)約50個(gè)市級(jí)站,站間距離30~50 km;并設(shè)立1個(gè)省級(jí)數(shù)據(jù)處理、交換中心,多個(gè)地市數(shù)據(jù)處理分中心,形成省、市2級(jí)中心互通的服務(wù)體系,CROS網(wǎng)絡(luò)可以有效覆蓋浙江省沿海區(qū)域,ZJCORS基準(zhǔn)站的分布見圖1。
ZJCORS能夠提供全天候的網(wǎng)絡(luò)RTK、RTD數(shù)據(jù)服務(wù),可兼容市面上所有支持差分的進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)GNSS接收機(jī)設(shè)備,支持CMR+、RTCM3.0、RTCM2.3等多種差分?jǐn)?shù)據(jù)格式,實(shí)時(shí)定位精度平面方向優(yōu)于3 cm,高程方向優(yōu)于5 cm[1];同時(shí)具備MAX(iMAX)、VRS、FKP等多種差分算法,支持GPS、GLONASS雙星差分。
2.2 ZJCORS的RTK三維水深測(cè)量原理
ZJCORS的RTK三維水深測(cè)量原理:在一定區(qū)域內(nèi)建立多個(gè)基站,在該區(qū)域構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋,并進(jìn)行連續(xù)跟蹤觀測(cè),通過這些站點(diǎn)組成衛(wèi)星定位觀測(cè)值的網(wǎng)絡(luò)解算,獲取覆蓋該地區(qū)某時(shí)段的RTK改正數(shù),對(duì)該區(qū)域內(nèi)RTK用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)RTK改正,獲得RTK固定解;再經(jīng)過測(cè)區(qū)的WGS84大地坐標(biāo)與地方坐標(biāo)的參數(shù)轉(zhuǎn)換和水準(zhǔn)高與大地高的高程異常模型轉(zhuǎn)換,從而獲取測(cè)點(diǎn)地方坐標(biāo)和實(shí)時(shí)水位,用于測(cè)點(diǎn)的水深改正;定位儀器在采集三維坐標(biāo)的同時(shí)也采集儀器三維姿態(tài)信息,并作姿態(tài)改正以消除作業(yè)過程中由于測(cè)船擺動(dòng)而產(chǎn)生的平面及高程偏差。
圖1 ZJCORS基準(zhǔn)站分布圖
2.3 ZJCORS的RTK三維水深測(cè)量技術(shù)瓶頸及解決方案
目前,在水下地形測(cè)量中利用ZJCORS技術(shù)可以直接獲取測(cè)點(diǎn)的WGS84坐標(biāo),其平面位置可以通過測(cè)區(qū)的WGS84坐標(biāo)與地方坐標(biāo)系的嚴(yán)密轉(zhuǎn)換關(guān)系獲得,且轉(zhuǎn)換關(guān)系的獲得相對(duì)比較容易。測(cè)點(diǎn)的高程異常值可通過測(cè)區(qū)的高程異常擬合模型、似大地水準(zhǔn)面精化模型內(nèi)插等方法獲取。目前ZJCORS測(cè)量并不提供浙江省區(qū)域內(nèi)的似大地水準(zhǔn)面成果,因此要獲取測(cè)點(diǎn)高程異常值需要建立測(cè)區(qū)的高程異常擬合模型。在浙江省沿海水下地形測(cè)量中,測(cè)量區(qū)域經(jīng)常有跨較寬闊水面、呈狹長(zhǎng)帶狀分布的特點(diǎn),例如錢塘江及杭州灣區(qū)域、舟山海域、三門灣海域和椒江、甌江、飛云江江道及入??诘?,在上述區(qū)域建立高程異常擬合模型時(shí)需充分考慮模型是否能夠反映、控制整個(gè)區(qū)域的高程異常變化,特別是較寬水域的高程異常變化。本文嘗試綜合采用高程異常等值線法和二次曲面數(shù)學(xué)擬合模型方法,建立類似上述區(qū)域的高程異常擬合模型,對(duì)測(cè)點(diǎn)高程異常進(jìn)行計(jì)算,并采用常規(guī)驗(yàn)潮方法對(duì)獲得的測(cè)點(diǎn)水位進(jìn)行校核、較差統(tǒng)計(jì),探索ZJCORS技術(shù)在浙江省沿海大范圍、大跨度地實(shí)施RTK三維水深測(cè)量的有效應(yīng)用方法。
對(duì)比試驗(yàn)在椒江口航道監(jiān)測(cè)水下地形項(xiàng)目中實(shí)施,該項(xiàng)目位于浙江省椒江口,口門最寬處約20 km,最窄處約5 km,具體位置見圖2,在ZJCORS網(wǎng)絡(luò)的有效控制范圍內(nèi)。試驗(yàn)中,對(duì)驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮和RTK三維水深測(cè)量法的潮高基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集方案及誤差源控制、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),確保2種方法采集的測(cè)點(diǎn)水位具有一致性、準(zhǔn)確性、可靠性、可比性。
圖2 水下地形項(xiàng)目測(cè)量范圍示意圖
3.1 潮高基準(zhǔn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)中2種方法的潮高采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn),驗(yàn)潮站工作水準(zhǔn)點(diǎn)高程采用四等水準(zhǔn)接測(cè),水位接測(cè)按照?qǐng)D根水準(zhǔn)要求測(cè)定。
測(cè)點(diǎn)高程異常的獲取:結(jié)合高程異常等值線法和二次曲面數(shù)學(xué)擬合模型建立該區(qū)域高程異常擬合模型,模型擬合GPS數(shù)據(jù)采用項(xiàng)目中施測(cè)的D級(jí)GPS控制網(wǎng)成果及網(wǎng)絡(luò)RTK控制測(cè)量成果,水準(zhǔn)數(shù)據(jù)采用項(xiàng)目中的四等水準(zhǔn)成果,椒江南北兩岸高程采用跨江三角高程進(jìn)行聯(lián)測(cè)。該區(qū)域高程異常等值線圖及模型擬合精度統(tǒng)計(jì)見圖3、表1。
圖3 椒江口高程異常等值線圖
點(diǎn)號(hào)成果類型水準(zhǔn)高/m擬合水準(zhǔn)值/m較差/m精度統(tǒng)計(jì)/mmGPS01D級(jí)GPS、四等水準(zhǔn)6.4296.431-0.002GPS02(校核點(diǎn))D級(jí)GPS、四等水準(zhǔn)6.1116.113-0.002GPS03D級(jí)GPS、四等水準(zhǔn)5.6745.676-0.002GPS04D級(jí)GPS、四等水準(zhǔn)7.8527.8500.002GPS05(校核點(diǎn))D級(jí)GPS、四等水準(zhǔn)8.1258.137-0.011GPS06D級(jí)GPS、四等水準(zhǔn)43.65343.6310.022Z02D級(jí)GPS、四等水準(zhǔn)3.5233.5040.020椒江C級(jí)GPS、二等水準(zhǔn)6.5266.552-0.026HY039(校核點(diǎn))D級(jí)GPS、四等水準(zhǔn)6.7046.6740.030HY041D級(jí)GPS、四等水準(zhǔn)5.6285.660-0.032N1網(wǎng)絡(luò)RTK、四等水準(zhǔn)3.3063.308-0.002海門BM網(wǎng)絡(luò)RTK、四等水準(zhǔn)3.2403.2180.022金清BM網(wǎng)絡(luò)RTK、四等水準(zhǔn)5.4585.4380.021臨海白沙村BM網(wǎng)絡(luò)RTK、四等水準(zhǔn)1.0281.030-0.002嶺白34網(wǎng)絡(luò)RTK、二等水準(zhǔn)2.3402.3330.007嶺白47(校核點(diǎn))網(wǎng)絡(luò)RTK、四等水準(zhǔn)2.1492.166-0.017白沙村C級(jí)GPS、二等水準(zhǔn)5.7735.800-0.027最大均對(duì)值誤差:32最小絕對(duì)值誤差:2平均絕對(duì)值誤差:14模型內(nèi)符合精度:18
由圖3可知,測(cè)區(qū)兩岸高程異常從西北向東南均勻變化,約每1 km增加0.030 m,且不存在異常值突變點(diǎn),模型建立時(shí)不需要分區(qū)、分塊處理。由表1可知,利用二次曲面建立的模型最大均對(duì)值誤差為0.032 m,最小絕對(duì)值誤差為0.002 m,平均絕對(duì)值誤差0.014 m,模型內(nèi)符合精度0.018 m。外部校核點(diǎn)誤差小于0.030 m,模型整體精度較高,且較均勻,可以對(duì)測(cè)點(diǎn)水位大地高進(jìn)行高程異常改正。
3.2 數(shù)據(jù)采集方案及誤差源控制
2種測(cè)量方法的定位均采用ZJCORS技術(shù),導(dǎo)航定位軟件采用中海達(dá)“海洋測(cè)量軟件”,按照固定距離采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)均為原始WGS84坐標(biāo),無驗(yàn)潮采集的水位信息為測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)水位WGS84大地高。
驗(yàn)潮:根據(jù)測(cè)區(qū)地形及潮流情況設(shè)立臨海白沙村、瑯機(jī)山、海門3個(gè)驗(yàn)潮站,水位觀測(cè)采用自記水位計(jì),各測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)水位采用時(shí)差法內(nèi)插獲得,測(cè)點(diǎn)定位采用ZJCORS技術(shù)。為保證水位數(shù)據(jù)及內(nèi)插水位的準(zhǔn)確性,需特別關(guān)注驗(yàn)潮儀的時(shí)間設(shè)置、校準(zhǔn)、比對(duì)及基準(zhǔn)設(shè)置,以及水位數(shù)據(jù)的粗差探測(cè)及平滑消浪處理。
RTK三維水深測(cè)量:采集數(shù)據(jù)時(shí)需準(zhǔn)確量取水面至接收機(jī)天線的距離,接收機(jī)天線安裝在船舷中央,最大程度減少縱搖、橫搖的影響,安裝位置的選擇也需要避免測(cè)船對(duì)接收機(jī)天線衛(wèi)星信號(hào)的遮擋,確保接收機(jī)工作時(shí)有足夠的有效衛(wèi)星數(shù),保證較低的PDOP值。
3.3 數(shù)據(jù)處理及分析
驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮和RTK三維水深數(shù)據(jù)處理與分析是針對(duì)2種驗(yàn)潮模式水位信息。
3.3.1 驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮水位計(jì)算
求取測(cè)點(diǎn)水位時(shí),采用時(shí)差法內(nèi)插得出測(cè)量期間任意點(diǎn)任意時(shí)刻的水位,計(jì)算見公式(1)、(2)、(3)[2]:
ξp=ξA+{XP-XA}[(YC-YA)(ξB-ξA)-(YB-YA)×
(ξC-ξA)]+(YP-YA)[(YB-YA)(ξC-ξA)-(YC-YA)(ξB-ξA)]}/[(YB-YA)(YC-YA)-(YC-YA)(YB-YA)]
(1)
tA=t+τp;tB=t+τp-τB;tB=t+τp-τC
(2)
(3)
式中:ξA、ξB、ξC為對(duì)應(yīng)tA、tB、tC時(shí)刻A、B、C驗(yàn)潮站瞬時(shí)水位值,m;τp為測(cè)點(diǎn)相對(duì)于A水位站的潮時(shí)差,min;τB、τC為B、C水位站相對(duì)于A水位站的潮時(shí)差,min,其計(jì)算可以采用最小二乘參數(shù)法計(jì)算得出,測(cè)點(diǎn)水位計(jì)算在程序中完成;X、Y為測(cè)點(diǎn)及潮位站坐標(biāo),m。
3.3.2 RTK三維水深測(cè)量法水位計(jì)算
RTK三維水深測(cè)量法水位計(jì)算過程即測(cè)點(diǎn)高程異常計(jì)算,根據(jù)2.1中的描述,結(jié)合等值線法和二次曲面數(shù)學(xué)擬合模型相結(jié)合的方法建立高程異常擬合模型,計(jì)算在程序中完成,二次曲面模型公式見公式(4)[3],測(cè)點(diǎn)高程計(jì)算見公式(5):
A0+A1×X+A2×Y+A3×X2+A4×Y2+A5×X×Y+ξ=0
(4)
h=H-ξ
(5)
式中:ξ為測(cè)點(diǎn)高程異常,m;X、Y為測(cè)點(diǎn)位置,m;A0~A5為擬合系數(shù);h為測(cè)點(diǎn)1985國(guó)家高程基準(zhǔn),m;H為測(cè)點(diǎn)大地高,m。
3.3.3 樣本數(shù)據(jù)的選取及結(jié)果對(duì)比
為保證對(duì)比數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,盡可能減少測(cè)量誤差對(duì)對(duì)比結(jié)果的影響,樣本數(shù)據(jù)的選取需滿足:采集數(shù)據(jù)時(shí)海況較好,風(fēng)浪較小;選取的樣本均勻分布于測(cè)區(qū);對(duì)比時(shí)考慮測(cè)船動(dòng)吃水對(duì)水位的影響;有驗(yàn)潮與無驗(yàn)潮水位樣本測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。最后選用2組數(shù)據(jù)樣本,數(shù)據(jù)及對(duì)比結(jié)果見圖4 、5 ,對(duì)比精度統(tǒng)計(jì)見表2。
圖4 RTK三維水深測(cè)量水位與驗(yàn)潮水位對(duì)比圖(樣本1)
圖5 RTK三維水深測(cè)量水位與驗(yàn)潮水位對(duì)比圖(樣本2)
表2 RTK三維水深測(cè)量水位與驗(yàn)潮水位較差(Δ)統(tǒng)計(jì)表
Δ≤0.050m0.050m<Δ≤0.100m0.100m<Δ≤0.200m0.200m<Δ≤0.300mΔ≥0.300m數(shù)量占比/%數(shù)量占比/%數(shù)量占比/%數(shù)量占比/%數(shù)量占比/%中誤差/m410538.9346932.9264425.12832.7460.4±0.100
由圖4、5可知,RTK三維水深測(cè)量的水位與驗(yàn)潮水位總體一致。RTK三維水深測(cè)量水位以驗(yàn)潮站水位為中心呈上下波動(dòng)趨勢(shì),上下波動(dòng)的是由測(cè)量過程中測(cè)船的升、沉引起;圖5中10:15、11:30左右,網(wǎng)絡(luò)RTK水位整體偏離驗(yàn)潮水位,經(jīng)檢查是因網(wǎng)絡(luò)RTK信號(hào)失鎖導(dǎo)致。由表 2 可知,2種方法獲取的水位較差比較點(diǎn)小于0.100 m的占71.8%, 0.100 m與0.200 m之間的占25.1%,大于0.200 m的占3.1%,總體較差中誤差為0.100 m。由此可見2種方法獲取的水位差異較小,具有一致性。
由網(wǎng)絡(luò)RTK三維水深測(cè)量與驗(yàn)潮儀驗(yàn)潮方法獲取的水位對(duì)比分析可得出以下結(jié)論及建議:
(1)本文結(jié)合高程異常等值線法和二次曲面數(shù)學(xué)擬合模型建立的該區(qū)域高程異常擬合模型能夠高精度地反映椒江口兩岸及水域區(qū)域高程異常的變化趨勢(shì);網(wǎng)絡(luò)RTK無驗(yàn)潮與有驗(yàn)潮作業(yè)模式獲取的水位具有一致性,無驗(yàn)潮數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。
(2)RTK三維水深測(cè)量能夠抵消部分測(cè)量過程中由于風(fēng)浪和測(cè)船升沉、搖擺引起的測(cè)量誤差;與驗(yàn)潮模式相比,這種作業(yè)模式無需設(shè)立驗(yàn)潮站,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理較簡(jiǎn)潔,極大地方便了水下地形測(cè)量的內(nèi)、外作業(yè),節(jié)約了生產(chǎn)成本,較好地保證了野外數(shù)據(jù)采集精度。
(3)基于ZJCORS的RTK三維水深測(cè)量作業(yè)模式可以有效解決該區(qū)域航道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)沉降問題,與單基準(zhǔn)站的RTK三維水深測(cè)量作業(yè)方法相比,無需考慮作業(yè)距離,作業(yè)跨度大。
(4)目前ZJCORS的應(yīng)用不提供測(cè)點(diǎn)1985高程基準(zhǔn)值,因此測(cè)點(diǎn)1985高程基準(zhǔn)值需單獨(dú)建立高程異常模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換;在初次水下地形測(cè)量的測(cè)區(qū)、范圍較大的測(cè)區(qū)、跨較寬水域建立高程異常擬合模型時(shí)須確保高程異常擬合點(diǎn)能夠有效控制測(cè)區(qū)高程異常變化,并設(shè)立驗(yàn)潮站對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK水位進(jìn)行校核。
(5)網(wǎng)絡(luò)RTK水下地形作業(yè)時(shí),基站信號(hào)中斷或者基站切換會(huì)導(dǎo)致獲取水位值為浮動(dòng)解或者單點(diǎn)解,誤差較大,作業(yè)時(shí)需做好記錄,以便內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)水位進(jìn)行合理修正;海上作業(yè)風(fēng)浪對(duì)船的搖擺影響較大,GNSS接收機(jī)的姿態(tài)改正對(duì)角度最大偏移量有限制,需選擇良好海況進(jìn)行作業(yè)。
[1]蔡榮華,蘇立錢,楊一挺,等.浙江省省級(jí)CORS系統(tǒng)RTK測(cè)試與分析[J].全球定位系統(tǒng),2009,41(5):41-45.
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(責(zé)任編輯 張書花)
2015-06-01
浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015F10004)。
祁敏敏(1984-),男,工程師,大學(xué)本科,主要從事海洋測(cè)繪和工程測(cè)量工作。
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A
1008-701X(2016)01-0084-03
10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.01.025