摘 ?要：近年來我國海洋開發(fā)進展迅速，大型化和深水化的建設(shè)和發(fā)展隨之不斷推進，大量新技術(shù)的引入和應(yīng)用成為行業(yè)關(guān)注焦點，相關(guān)理論研究和實踐探索受此影響也大量涌現(xiàn)?；诖?，文章研究了GPS-RTK技術(shù)在港口碼頭測量中的具體應(yīng)用，并圍繞港口碼頭測量中該技術(shù)的典型應(yīng)用開展深入探討，具體涉及多波束測深系統(tǒng)、HYPACK軟件等內(nèi)容，通過相關(guān)技術(shù)的實際應(yīng)用，證實該技術(shù)能夠較好地服務(wù)于港口碼頭測量。

關(guān)鍵詞：港口碼頭測量;GPS-RTK;水下地形測量

中圖分類號：P228.4;U652 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0138-03

Research on the Application of GPS-RTK Technology in Port and Wharf Survey

MENG Xiaohui

（Security Team of Beihai Branch of China Coast Guard，Qingdao ?266000，China）

Abstract：In recent years，with the rapid development of Chinas marine development，the construction and development of large-scale and deep-water are constantly promoted. The introduction and application of a large number of new technologies have become the focus of the industry，and the relevant theoretical research and practical exploration are also emerging. Based on this，the article studies the specific application of GPS-RTK technology in port and wharf survey，and carries out in-depth discussion on typical application of this technology in port and wharf survey，specifically involving multibeam bathymetry system，HYPACK software and other contents. The practical application of relevant technologies proves that the technology can better serve the port and wharf survey.

Keywords：port and wharf survey;GPS-RTK;underwater topographic survey

0 ?引 ?言

海洋測量可為艦船航行安全提供海圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，筆者基于實際工作需求，對GPS-RTK技術(shù)進行研究，以期更好地對陌生海域碼頭或者地形、水深不明、疏浚工程完工后等資料不全的碼頭進行地形或水深測量，為筆者所在單位艦船進出港、離靠碼頭提供海圖資料，保障航行安全。GPS-RTK作為動態(tài)實時測量技術(shù)，在港口碼頭測量中的實用性較高，具備精簡測量流程、提升數(shù)據(jù)采集效率、提升測量可靠性等優(yōu)勢，但結(jié)合實際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，港口碼頭測量中GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用存在一定難度，故本文圍繞該技術(shù)的典型應(yīng)用展開具體研究，為可能保證該技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量。

1 ?GPS-RTK技術(shù)概述

港口碼頭測量中GPS-RTK技術(shù)的特點可細分為五個方面：

（1）精簡測量流程。GPS-RTK技術(shù)在測量中的應(yīng)用能夠開展一體化作業(yè)，室外工作的強度受此影響能夠?qū)崿F(xiàn)顯著下降，放樣工作也能夠在短時間內(nèi)完成。

（2）突破逐級控制、分級布網(wǎng)限制。通過一次性完成單個測區(qū)的布設(shè)，靈活性更高的控制網(wǎng)和數(shù)量更少的控制點能夠有效降低工作難度，碎部測量作業(yè)可在圖根加密控制的同時完成。

（3）較高的碎部量測靈活性。GPS-RTK技術(shù)在應(yīng)用中不會受到圖幅便捷帶來的限制，分幅與接邊處理可基于計算機快速完成，具備較好的靈活性。

（4）較高的數(shù)據(jù)采集效率。畫草圖環(huán)節(jié)可在技術(shù)應(yīng)用中省略，輔以特定的各個碎部點格式賦予，數(shù)據(jù)即可更好的由測圖軟件識別，圖形編輯效率自然可隨之有效提升。

（5）提升測量可靠性。1：500圖根控制的精度要求可較好由GPS-RTK技術(shù)滿足，過度集中誤差引發(fā)的問題也能夠有效規(guī)避，同時該技術(shù)在大比例尺測圖中也有著不俗表現(xiàn)[1]。

2 ?港口碼頭測量中GPS-RTK技術(shù)的具體應(yīng)用—— 以水下地形測量為例

2.1 ?測量方式選擇

GPS-RTK技術(shù)在港口碼頭水下地形測量中的應(yīng)用較為廣泛，這一測量一般會采用多波束測深聲吶，同時還需要應(yīng)用數(shù)據(jù)圖形分析軟件，由此組成的GPS-RTK水下地形測量系統(tǒng)可細分為三部分：

（1）功能設(shè)備。包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、驗潮儀、聲速剖面儀，這類功能設(shè)備主要負責(zé)提供平面坐標(biāo)、測量船橫搖等姿態(tài)數(shù)據(jù)、海區(qū)潮位和聲速剖面數(shù)據(jù)。

（2）聲學(xué)系統(tǒng)。包括多波束信號處理系統(tǒng)、多波束換能器陣。

（3）儲存、顯示、數(shù)據(jù)處理等設(shè)備和軟件[2]。

在潮汐和波浪等因素影響下，需要在處理測量得到水深數(shù)據(jù)后方可真正明確某一深度基準面的水深，具體處理涉及換能器涌浪、聲速、水位、吃水等校正，如單純采用傳統(tǒng)有驗潮測量方式，由此開展的單波束或多波束測深均可能導(dǎo)致最終的水深測量精度受到校正影響。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究和實踐，筆者認為應(yīng)采用無驗潮水深測量方式配合GPS-RTK技術(shù)，該方式應(yīng)用中的水位觀測無需人為開展，觀測和人工成本可有效節(jié)約，上下浮動的測量船帶來影響的消除、水位校正誤差的規(guī)避、即時水位的獲取也可更好實現(xiàn)，GPS-RTK系統(tǒng)需要為工作中的多波束測深系統(tǒng)提供支持，以此向移動臺發(fā)送基準站的載波相位差分值，移動臺接收載波相位可隨之改正，隨后即可完成移動臺坐標(biāo)解算。為開展測量結(jié)果的精度對比，平面坐標(biāo)定位實驗可基于全站儀開展，以此在測量船的同一豎向點上設(shè)置全站儀目標(biāo)棱鏡和GPS-RTK天線，隨之開展同一點坐標(biāo)測量。采集測量點數(shù)據(jù)時，調(diào)度員負責(zé)統(tǒng)一指揮，以此完成同步的數(shù)據(jù)采集[3]。

2.2 ?工程實踐分析

以某港航道水下地形測量為例，航道寬度、長度分別為260 m、21 km，具體測量采用1：2 000的比例尺。采用的RTK測量系統(tǒng)為X10，水下地形測繪用多波束測深系統(tǒng)Sonic2022，基于航標(biāo)測量船進行工程測量，長、寬、吃水、動吃水分別為40.00 m、8.80 m、2.00 m、0.06 m。在具體測量前，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)由RTK測量系統(tǒng)測定，采集軟件系統(tǒng)中需錄入水域聲速剖面曲線，這一過程需使用聲速測試儀，隨后分別將一條平行測線設(shè)置于港口池內(nèi)地勢變化較大及平坦的兩個區(qū)域，完成多波束安裝校正，涉及艏搖、縱搖、橫搖等。基于100°掃寬應(yīng)用多波束測深系統(tǒng)，調(diào)入已定的測線和網(wǎng)格，運行各個儀器設(shè)備，進入測量區(qū)域的航標(biāo)測量船沿已定測線航行時，測量數(shù)據(jù)即可由相關(guān)儀器設(shè)備負責(zé)實時采集，電腦負責(zé)保存形成的數(shù)據(jù)文件記錄。Qloud數(shù)據(jù)采集軟件和Qinsy軟件需配合完成數(shù)據(jù)采集，掃測完成后，結(jié)合后期數(shù)據(jù)回放檢查及現(xiàn)場觀察，可發(fā)現(xiàn)存在測線覆蓋良好的掃測范圍控制，不存在空白區(qū)，圖1為多波束掃描測量結(jié)果示意圖。后續(xù)采用HYPACK軟件開展后期圖形處理，形成最終的航道水下地形圖（1：2 000）[4]。

為驗證上述技術(shù)應(yīng)用的可靠性、準確性及高效性，可開展系統(tǒng)內(nèi)符合驗證，并對比水深測量精度誤差、平面定位精度誤差、工作效率高低。開展具體的驗證和對比可以發(fā)現(xiàn)，案例工程測量小于0.3 m測深偏差的占比為100%，小于0.1 m測深偏差的占比為0.1%;對比水深測量精度誤差可以發(fā)現(xiàn)，GPS-RTK技術(shù)的精度在厘米級，且在犧牲時間成本（限制船速）的情況下該技術(shù)與全站儀測量精度基本一致，但隨著船速提升，采用特殊定位技術(shù)的GPS定位系統(tǒng)仍可保證測量效率和精度;對比平面定位精度誤差可以發(fā)現(xiàn)，多波束測深系統(tǒng)能夠得出符合規(guī)范要求的結(jié)果及合理判斷;對比工作效率可以發(fā)現(xiàn)，多波束測深系統(tǒng)具備2.45 h/km2的單位面積測量效率，雙頻測深系統(tǒng)（HY1602）則為5.92 h/km2，多波束測深系統(tǒng)的應(yīng)用價值可見一斑，其能夠較好為GPS-RTK技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用提供支持。表1為全站儀定位結(jié)果與GPS-RTK定位結(jié)果，結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)，GPS-RTK技術(shù)可取得達到厘米級的精度坐標(biāo)，且誤差積累不存在于各點位之間，與全站儀定位結(jié)果的符合度較高，考慮到這一結(jié)果得出在限制船速犧牲時間成本前提下，船速在6節(jié)以上時，GPS-RTK技術(shù)仍可滿足測量精度要求，但全站儀將無法準確跟蹤觀測，GPS-RTK技術(shù)的實用性可見一斑。

3 ?基于GPS-RTK技術(shù)的水深測量

3.1 ?技術(shù)原理

該技術(shù)在水深測量過程中，主要是依靠GPS經(jīng)載波相位差分技術(shù)獲得的X，Y，H三維坐標(biāo)進行分析，其中的數(shù)據(jù)精度達到厘米級，并配合相關(guān)探測儀器，獲得水深數(shù)據(jù)，了解水底高程變化。其中的關(guān)系式包括：

T=H-OHC-S

CS=B-T+D

CS=B-H+OHC+S+D

其中，CS為探測的水深;S為RTK天線與水面之間的距離;T為潮位;H為RTK測量的大地高;OHC為深度基準面到參考橢球面之間的距離;B為換能器與水底之間的距離;D為吃水深度（上述所有數(shù)據(jù)的單位均為米）。

3.2 ?數(shù)據(jù)處理

3.2.1 ?數(shù)據(jù)剔除

從3.1段落中給出的關(guān)系式中可知，在GPS-RTK技術(shù)中，RTK的高程與水深值精度之間存在相關(guān)性，所以提高數(shù)據(jù)處理的精度，則需要獲得RTK厘米級數(shù)據(jù)，其中的關(guān)鍵就是固定解模式下的高程。但是現(xiàn)有的經(jīng)驗顯示，在測量期間若測量船靠近大型船舶或者受到短暫電磁波的干擾，會導(dǎo)致RTK處于非固定解模式下，最終導(dǎo)致誤差出現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)處理中需剔除非固定解模式下的數(shù)據(jù)。

3.2.2 ?基于HYPACK的數(shù)據(jù)處理

HYPACK作為一款先進的水道測量與海洋調(diào)查軟件，具有靈活的功能設(shè)置，滿足水深測量數(shù)據(jù)處理要求。

在原始數(shù)據(jù)處理中，經(jīng)過HYPACK任務(wù)文件解析，原始文件（.RAW）中可提取到水深測量過程中的參數(shù)與信息。此時當(dāng)RTK處于固定解模式下，原始數(shù)據(jù)會對應(yīng)相應(yīng)的潮位信息，而在非固定解模式下（系統(tǒng)顯示RTK狀態(tài)碼不為4），則系統(tǒng)不會收錄潮位信息。因此在數(shù)據(jù)處理中，可通過HYPACK中固定解模式下的潮位信息與完整時間，判斷不同時間下的潮位數(shù)據(jù)，圖2為數(shù)據(jù)處理示意圖。

3.2.3 ?潮位的獲取

將原始數(shù)據(jù)上傳到Excel表格之后，根據(jù)數(shù)據(jù)的排序生成連續(xù)的潮位表，從表中獲得對應(yīng)的潮位信息與時間，運用表格的公式批量編輯功能，獲得潮位與時間的對應(yīng)數(shù)據(jù)。

本次研究中，依靠HYPACK提供的測量方法，在潮位設(shè)置中選擇GPS設(shè)備，通過調(diào)整GPS預(yù)濾波選項，使潮位與定位都選擇狀態(tài)碼“4”，經(jīng)過上述處理后，可獲得剔除了非固定解模式的數(shù)據(jù)，生成水深數(shù)據(jù)。

3.3 ?數(shù)據(jù)的綜合改正輸出

在獲得水深數(shù)據(jù)后，可通過綜合改正輸出的方法提取最終數(shù)據(jù)，此時選擇HYPACK“后處理”選項中的“綜合改正輸出”，選擇水深文件后，勾選相應(yīng)的參數(shù)，并進行改正，由此能夠獲得最終數(shù)據(jù)。

最后為確保測量結(jié)果的準確性，在水深測量中可以配合測深錘選擇任一點進行測量，用于檢測水深數(shù)據(jù)是否存在異常。

4 ?結(jié) ?論

綜上所述，GPS-RTK技術(shù)能夠較好地服務(wù)于港口碼頭測量。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的測量方式選擇、工程實踐分析等內(nèi)容，則提供了可行性較高的GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好地服務(wù)于港口碼頭測量，GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用還需要關(guān)注基準站的科學(xué)創(chuàng)建、轉(zhuǎn)換參數(shù)的合理設(shè)定、岸坡觀測的針對性開展等技術(shù)點，進一步優(yōu)化GPS-RTK技術(shù)在港口碼頭測量中的應(yīng)用。

參考文獻：

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作者簡介：孟曉輝（1986.08—），男，漢族，山東濟南人，助理工程師，本科，研究方向：海道測量。