侯 煜，廖 月，閭耀輝

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321）

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，河道開發(fā)及利用的多元化，河道地形測(cè)量在河道建設(shè)前期設(shè)計(jì)、施工及后期的養(yǎng)護(hù)方面就愈加顯得重要。河道地形測(cè)量提供的斷面圖及水下地形圖不僅可以作為水利建設(shè)部門河道設(shè)計(jì)及施工的依據(jù)，還可以作為水利管理部門日常監(jiān)測(cè)河道變化的重要資料來源，可以有效監(jiān)測(cè)河床處于淤積、沖刷還是正常狀態(tài)。因此，正確的斷面圖及水下地形圖就顯得十分重要，而傳統(tǒng)的河道測(cè)量技術(shù)無(wú)法應(yīng)對(duì)愈加復(fù)雜的河道環(huán)境，此時(shí)依靠高精度GPS定位及回聲測(cè)深技術(shù)的GPS-RTK技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，符合了社會(huì)的發(fā)展，從而廣泛運(yùn)用于河道測(cè)量之中。

2 GPS-RTK技術(shù)特點(diǎn)

2.1 GPS-RTK的組成

RTK系統(tǒng)主要由一個(gè)基準(zhǔn)站、移動(dòng)站及無(wú)線電通訊系統(tǒng)組成。基準(zhǔn)站包括GPS接收機(jī)及接收天線、無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及發(fā)射天線、直流電源；流動(dòng)站包括GPS接收機(jī)及接收天線、無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)及天線、電子控制手簿等部分[1]。

2.2 GPS-RTK的定位原理

RTK（即Real-Time Kinematic）技術(shù)的全稱是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)，與GPS技術(shù)相結(jié)合可以為測(cè)點(diǎn)提供準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)精度[2]。在GPS-RTK的工作中，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的GPS接收機(jī)同時(shí)接收GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)?；鶞?zhǔn)站將自身的一些基本信息（包括基準(zhǔn)站坐標(biāo)及天線高）和載波觀測(cè)信號(hào)通過數(shù)據(jù)鏈傳遞給移動(dòng)站；移動(dòng)站在完成初始設(shè)置后，把接收到的基準(zhǔn)站的信號(hào)與自身的載波觀測(cè)信號(hào)傳遞給控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)差分處理，在進(jìn)行坐標(biāo)及高程參數(shù)轉(zhuǎn)換之后，就可以得到移動(dòng)站的三維坐標(biāo)（工作原理圖詳見圖1）。

圖1 GPS-RTK工作原理圖

2.3 GPS-RTK的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

GPS-RTK作為新出現(xiàn)的測(cè)量技術(shù)，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：

（1）定位準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)安全可靠。一般而言，只要能夠達(dá)到GPS-RTK的技術(shù)要求，在規(guī)定的作業(yè)半徑內(nèi)，RTK的平面和高程精度就能達(dá)到厘米級(jí)。

（2）降低了作業(yè)條件的要求，適應(yīng)各種復(fù)雜的地形及氣候。GPS-RTK只需要“電磁波通視”即可觀測(cè)，無(wú)需2個(gè)測(cè)站之間達(dá)到光學(xué)通視，天氣及能見度的變化對(duì)觀測(cè)的結(jié)果不會(huì)有較大的影響；同時(shí)各站的觀測(cè)值相互獨(dú)立，誤差不會(huì)累積，有效降低了在復(fù)雜地形環(huán)境下測(cè)量結(jié)果受到誤差累積的影響。

（3）可全天候作業(yè)，且大大提高了野外工作效率。只要在測(cè)點(diǎn)能夠接收到GPS衛(wèi)星信號(hào)，就可以持續(xù)測(cè)量，不受環(huán)境的影響；GPS-RTK技術(shù)在一般的環(huán)境下，幾秒鐘就可以得到坐標(biāo)數(shù)據(jù)，大大減少了傳統(tǒng)測(cè)量所需要的控制點(diǎn)數(shù)量及移站次數(shù)，降低了測(cè)量強(qiáng)度，提高了工作效率。

（4）操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化、集成化程度高。GPSRTK技術(shù)既可以在室內(nèi)，也可以在野外進(jìn)行測(cè)量，只需要將儀器整平架設(shè)好，就可以利用軟件控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行測(cè)繪，減少了可能存在的人為誤差，提高了作業(yè)的精度。

3 在河道斷面測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 GPS-RTK儀器設(shè)置

3.1.1 基準(zhǔn)站設(shè)置

由于GPS-RTK作業(yè)半徑（電臺(tái)發(fā)射距離詳見式（1））在10 km范圍內(nèi)才能保證良好的測(cè)量精度，根據(jù)需要選定一次的架站地點(diǎn)就能輻射整個(gè)測(cè)區(qū)。同時(shí)由于GPS-RTK信號(hào)容易受到建筑物的阻擋及電磁輻射的干擾，所以對(duì)于架站地點(diǎn)也有一定要求：包括位置要空曠，遠(yuǎn)離高大的建筑物；避開一些信號(hào)塔等輻射較強(qiáng)的區(qū)域，保證測(cè)量時(shí)信號(hào)穩(wěn)定，才能得到正確的測(cè)量數(shù)據(jù)。在選定好位置后，開始架設(shè)基準(zhǔn)站，安置好GPS接收機(jī)后，配置正確的參數(shù)。由于基準(zhǔn)站需要通過數(shù)據(jù)鏈來向流動(dòng)站進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行正確編碼和同步檢錯(cuò)，所以儀器都需要設(shè)置為9600的波特率，來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩ā?/p>

式中：

H1—電臺(tái)天線高；

H2—流動(dòng)站天線高。

3.1.2 移動(dòng)站設(shè)置

在流動(dòng)站上安置GPS接收機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，會(huì)收到來自基準(zhǔn)站電臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，這時(shí)移動(dòng)站就可以進(jìn)入正常的測(cè)量狀態(tài)。打開控制手簿，新建工程，對(duì)所有工程信息進(jìn)行如實(shí)填寫。

（1）坐標(biāo)系統(tǒng)及高程系統(tǒng)的確定

結(jié)合已知點(diǎn)的BJ54坐標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)GPS采集的WGS-84經(jīng)緯度坐標(biāo)，在控制手簿上進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算，利用3個(gè)以上的控制點(diǎn)計(jì)算即可得出布爾莎七參數(shù)。再與已知點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，如符合精度要求，輸入?yún)?shù)后，GPS-RTK控制器即可測(cè)出定位點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)；如不符合，則需重新計(jì)算。

（2）中央子午線的確定

依據(jù)建立獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的要求，選用任意高斯三度帶投影建立坐標(biāo)，中央子午線經(jīng)度選擇為120°。

（3）流動(dòng)站的測(cè)量

待坐標(biāo)系統(tǒng)與中央子午線都確定，移動(dòng)站定位后是固定解，即可對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行局部和河道斷面等測(cè)量工作。

3.2 實(shí)際運(yùn)用

河道斷面測(cè)量是河道測(cè)量的主要內(nèi)容，包括橫斷面和縱斷面測(cè)量。主要進(jìn)行的就是橫斷面測(cè)量，橫斷面是指河槽中垂直于水流的斷面稱為該處河流的橫斷面。它的下限為河床，上限為水面，兩側(cè)為護(hù)坡和堤防[3]。在外業(yè)測(cè)量中將岸上及水下部分分開進(jìn)行測(cè)量，在內(nèi)業(yè)處理時(shí)將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)合并處理，就可以得到完整的橫斷面圖及水下地形圖，下面以南方CASS處理軟件為例。

3.2.1 岸上測(cè)量

在基準(zhǔn)站和流動(dòng)站都設(shè)置完成后，即可進(jìn)行岸上的斷面樁測(cè)量。一般需要兩人，一人操作移動(dòng)站，一人操作控制手簿。在放置移動(dòng)站時(shí)，要保證在水準(zhǔn)氣泡居中及測(cè)桿對(duì)中情況下的幾秒鐘時(shí)間完成測(cè)量，獲得該點(diǎn)的正確坐標(biāo)，保存到手簿中。依此類推，即可得到岸上斷面樁的坐標(biāo)信息。

3.2.2 水下地形測(cè)量

在進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)，在完成基準(zhǔn)站和移動(dòng)站設(shè)置后，還要配合測(cè)深儀使用，移動(dòng)站GPS天線與測(cè)深儀相連接。即GPS-RTK技術(shù)獲得測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，測(cè)深儀獲得測(cè)點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)，通過南方CASS軟件處理即可同時(shí)記錄測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)及水深數(shù)據(jù)，就可以獲得較為準(zhǔn)確的河道數(shù)據(jù)。

在GPS天線與測(cè)深儀相連接之后，需對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括GPS天線高設(shè)置、測(cè)量參數(shù)設(shè)置、斷面線導(dǎo)入及校正參數(shù)等。在測(cè)深儀設(shè)置完畢，GPS對(duì)測(cè)量船進(jìn)行定位后，可以先進(jìn)行試測(cè)，隨機(jī)選取幾個(gè)點(diǎn)用測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)用傳統(tǒng)的測(cè)桿進(jìn)行測(cè)量，相互比較。如若誤差不大，就可以繼續(xù)測(cè)量；若誤差較大，就需要重新校正測(cè)深儀參數(shù)。試測(cè)合格后就可以按著GPS的指導(dǎo)沿著斷面線進(jìn)行測(cè)量，高程點(diǎn)按照間隔1 m進(jìn)行采集。但由于測(cè)深儀安裝在船只上，易受到風(fēng)浪和水流的作用，船只很難完全按照設(shè)計(jì)斷面線筆直行走，實(shí)際上船只的航跡分布在斷面線的兩側(cè)。當(dāng)偏差不大且在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，可選用這些測(cè)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)；如果航跡偏差過大，則要重新測(cè)量。對(duì)于水面較寬水深較深的河流使用測(cè)深儀較為方便，而對(duì)于水深較淺及靠近岸邊的河段，使用測(cè)桿、測(cè)繩及測(cè)錘等方法可以更為安全便捷地獲得水深數(shù)據(jù)，再利用GPS-RTK技術(shù)即可獲得測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，最終即可獲得測(cè)點(diǎn)的水底高程[4]。綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)合使用測(cè)深儀、測(cè)桿、測(cè)繩及測(cè)錘等測(cè)深工具，能夠適應(yīng)各種河道環(huán)境進(jìn)行測(cè)深，再加上同樣適應(yīng)力強(qiáng)的GPS-RTK技術(shù)，就可以較為容易地測(cè)量各種復(fù)雜環(huán)境下的河道。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理

在完成外業(yè)測(cè)量后，將岸上數(shù)據(jù)導(dǎo)入水下數(shù)據(jù)中，整個(gè)數(shù)據(jù)才算完整。將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方CASS水深處理軟件中，每隔5 m取樣，調(diào)整異常點(diǎn)后生成HTT格式文件。再通過格式轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)從*.HTT格式轉(zhuǎn)換成*.CASS格式，此格式就可以被南方CASS7.1軟件使用。

（1）斷面圖繪制

斷面圖繪制步驟：①將*.CASS格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方CASS7.1地形圖繪圖軟件中；②用復(fù)合線定河道中心線，在工具欄分別選中：工程應(yīng)用——由縱斷面生成——新建——根據(jù)實(shí)際情況修改間距和左右距離，形成新的里程文件；③選中河道中心線，在工具欄中選擇：工程應(yīng)用——由縱斷面生成，將中心線插值間距改成10 m，生成里程文件；④在工具欄中選擇：工程應(yīng)用——斷面法土方計(jì)算——任意斷面——選保存的里程文件，將比例選為橫向1∶1000、縱向1∶200，以河長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，高程為縱坐標(biāo)即可畫出斷面圖。

（2）水下地形圖繪制

先將*.CASS格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方CASS7.1地形圖繪圖軟件中，可以根據(jù)圖面高程點(diǎn)建立DTM，也可以通過圖面數(shù)據(jù)建立DTM；再繪制等高線，將外業(yè)測(cè)量不需要參加高程建模的三角網(wǎng)刪除；然后根據(jù)實(shí)際地形情況手動(dòng)對(duì)生成的等高線進(jìn)行修改，保證與實(shí)際地形保持一致；最后畫多條直線，沿直線高注記，將等高線標(biāo)記清楚，同時(shí)再標(biāo)注一些必要的工程信息，就可以得到完整的水下地形圖。

4 質(zhì)量影響因素及精度控制

GPS-RTK技術(shù)在河道測(cè)量中有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足之處：例如受電離層影響較大，衛(wèi)星信號(hào)易受影響，設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸中存在誤差，精度和穩(wěn)定性欠缺等問題，對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定影響。

（1）受電離層影響較大

由于白天中午時(shí)段受到很大的電離層干擾，共用衛(wèi)星數(shù)目減少，使得移動(dòng)站無(wú)法得到RTK固定解。為了減少電離層對(duì)測(cè)量工作的影響，應(yīng)避開中午時(shí)段進(jìn)行測(cè)量。

（2）衛(wèi)星信號(hào)易受影響

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，大功率發(fā)射塔較多，輻射較強(qiáng)，GPS信號(hào)易受到干擾，造成某些時(shí)刻測(cè)量區(qū)域無(wú)法被GPS衛(wèi)星有效覆蓋，而GPSRTK技術(shù)需要有4顆GPS衛(wèi)星才能準(zhǔn)確定位，這就造成了測(cè)量精度受到了影響；流動(dòng)站在有高大建筑物及樹木遮擋的區(qū)域進(jìn)行工作，衛(wèi)星信號(hào)易被遮擋，流動(dòng)站無(wú)法持續(xù)接收到信號(hào)，這就限制了測(cè)量工作的開展。

（3）設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸中存在誤差

數(shù)據(jù)在傳輸過程中受到障礙物的干擾，導(dǎo)致傳輸信號(hào)減弱，在很大程度上影響外業(yè)測(cè)量的精度和半徑。為了實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的信號(hào)，要將基準(zhǔn)站架在空曠及地勢(shì)較高的地區(qū)。

（4）精度和穩(wěn)定性問題

GPS技術(shù)的運(yùn)用存在大地高程額轉(zhuǎn)換和海拔高程精度不均勻的問題，而RTK的作業(yè)模式也會(huì)因?yàn)榈貐^(qū)差異存在一定誤差，特別是在一些山區(qū)、丘陵等地帶。為了解決GPS-RTK技術(shù)精度和穩(wěn)定性問題，可以通過布置多余控制點(diǎn)的方法來進(jìn)行質(zhì)量控制。

5 結(jié)語(yǔ)

GPS-RTK技術(shù)是目前測(cè)量精度最好、最方便快捷的河道測(cè)量技術(shù)之一，不但測(cè)量精度較高，還能快速獲得測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。GPS-RTK技術(shù)的出現(xiàn)，大大降低了測(cè)量作業(yè)的工作強(qiáng)度，提高了工作效率，這些優(yōu)點(diǎn)使得GPS-RTK技術(shù)在測(cè)量中的使用越來越廣泛。雖然在實(shí)際的河道測(cè)量中，仍然存在GPS信號(hào)被干擾、精度及穩(wěn)定性欠缺等問題，但隨著各類新GPS-RTK測(cè)量?jī)x器的出現(xiàn)，精度及穩(wěn)定性的問題得到一定程度的解決；同時(shí)，隨著中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的商業(yè)化開發(fā)，可以為測(cè)量工作提供定位服務(wù)，GPS-RTK測(cè)量可以逐漸擺脫受限于GPS衛(wèi)星的現(xiàn)狀?？傊珿PS-RTK技術(shù)的日趨完善，使其在測(cè)量工作特別是河道測(cè)量中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，所發(fā)揮的作用也將越來越重要。

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