阿米娜·依米提

(哈密水文勘測局，新疆 哈密 839000)

0 引言

哈密市地處新疆以東，東接甘肅酒泉，自古以來就享有“絲綢咽喉”、“新疆門戶”等稱號，是我國西部大開發(fā)的橋頭堡，具有東聯(lián)、西出、南通、北拓的戰(zhàn)略地緣優(yōu)勢。哈密地區(qū)干旱少雨，水資源緊缺，人均水資源占有量嚴重不足，當(dāng)?shù)鼐用裼盟畞碓粗饕缘叵滤透呱椒e雪為主。此外，哈密市自1935年至今，據(jù)記載發(fā)生過20余次較大洪水災(zāi)害，其中2018年7月發(fā)生的特大暴雨引發(fā)洪澇災(zāi)害，導(dǎo)致哈密市境內(nèi)多地受災(zāi)，遇難20人，有8人失蹤。可見，哈密地區(qū)這種交替進行的洪旱災(zāi)害給當(dāng)?shù)厝嗣駧砹司薮髶p害，嚴重制約著哈密市經(jīng)濟發(fā)展。為更加快速準確獲得山區(qū)洪澇災(zāi)害暴發(fā)的信息，必須加強科學(xué)技術(shù)的研究；科學(xué)評價各種測評工具在實踐中的優(yōu)勢和劣勢才能充分發(fā)揮測量技術(shù)的重要作用。GPS-RTK測量技術(shù)建立在載波相位觀測值的基礎(chǔ)上,是一種能進行實時動態(tài)測定的高科技系統(tǒng),在山洪災(zāi)害測量工作的開展中具有非常強大的優(yōu)勢。

1 RTK技術(shù)的今昔對比

1.1 工作原理

GPS-RTK(Real Time Kinematic)為實時動態(tài)測量技術(shù)，它是基于無線電技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、計算機技術(shù)和GPS測量定位技術(shù)的組合系統(tǒng)[1]。GPS-RTK系統(tǒng)分為三大系統(tǒng)—基站、無線電通信發(fā)射系統(tǒng)和流動站。RTK基準站和流動站的模塊組成詳見圖1。RTK基準站和流動站都具有GPS信號接收機、12 V蓄電瓶的電源系統(tǒng)、天線系統(tǒng)等。

1.2 傳統(tǒng)RTK

傳統(tǒng)RTK也稱RTK電臺模式，這種模式主要圍繞差分信號展開。傳統(tǒng)RTK中，設(shè)置一個基準站和若干流動站，流動站和基準站的距離被限制在10 km以內(nèi)，RTK利用電臺進行信號差分?；鶞收居嬎憬邮盏降臄?shù)據(jù)從而得到每個時間點的差分數(shù)據(jù)，并通過電臺發(fā)出。流動站則通過接收天線接收來自基準站的信號，后再經(jīng)過計算進而得到某個點的坐標信息。

圖1 RTK基本組成模塊

傳統(tǒng)的RTK系統(tǒng)比較簡單，其主要結(jié)構(gòu)見圖2。該系統(tǒng)運行時，基準站采集衛(wèi)星信號后發(fā)送至各個流動站點，流動站則負責(zé)每個待測點的實地測量。在接收到來自基準站的信號后，流動站會將數(shù)據(jù)差分到確切的精度，然后在進行測量。操作人員無需做復(fù)雜的測量工作，只需要將設(shè)備的天線對中整平微調(diào)后即可打開“自動測量”，實現(xiàn)設(shè)備的自動測量。傳統(tǒng)的RTK在操作上能夠做到智能化和簡單化，大幅度提高工作效率，但是由于測量范圍一般很廣闊，隨著測距增加，設(shè)備的誤差會逐漸變大(一般超過5 km后誤差會開始形成)，精度顯著降低[2-5]。

1.3 網(wǎng)絡(luò)RTK

與傳統(tǒng)RTK不同，網(wǎng)絡(luò)RTK設(shè)置多個基準站，技術(shù)人員不需要再設(shè)額外的基準站即可實現(xiàn)信號發(fā)送[4]。在距離上，網(wǎng)絡(luò)RTK具有更遠距離的優(yōu)勢，用戶和基準站的距離可以達到幾百公里；不僅如此，在誤差方面，網(wǎng)絡(luò)RTK能減少發(fā)生在傳統(tǒng)RTK上的誤差源，測量結(jié)果可信度更高。在誤差處理上，網(wǎng)絡(luò)RTK由三個基礎(chǔ)部分組成：數(shù)據(jù)收集處、數(shù)據(jù)處理中心修正數(shù)據(jù)、發(fā)送修正信息。首先由若干個基準站收集觀測到的數(shù)據(jù)，采集到實時數(shù)據(jù)后會發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心，處理中心是整個系統(tǒng)的主要控制者。來自基準站的數(shù)據(jù)會經(jīng)過初篩(粗差剔除)、互聯(lián)網(wǎng)解算、改正等步驟后才能到達用戶。

網(wǎng)絡(luò)RTK必須設(shè)置三個以上基準站才能實現(xiàn)測量信息改正計算，基準站數(shù)目越多，改正后信息越接近真實值。如果基準站足夠多，那么即使是某個基準站出現(xiàn)問題系統(tǒng)仍能正常運行。網(wǎng)絡(luò)RTK通過移動或聯(lián)通信號發(fā)送信息(見圖3)，測區(qū)能實現(xiàn)手機通訊就能實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的傳送。網(wǎng)絡(luò)RTK有著更為簡單的操作模式，操作者只需要一款具備上網(wǎng)功能的智能手機、控制手簿和幾根校對中干就能作業(yè)。

圖2 RTK傳統(tǒng)工作模式

圖3 RTK網(wǎng)絡(luò)工作模式

2 AHCORS技術(shù)

2.1 基本原理

AHCORS運用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在某個測量范圍內(nèi)依據(jù)計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LAN/WAN)技術(shù)將眾多參考站聯(lián)系成一個網(wǎng)絡(luò)體系。在這個網(wǎng)絡(luò)體系中，數(shù)據(jù)中心處將來自參考站的數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)處理之后自動發(fā)送給各地用戶，終端用戶需要配置相應(yīng)的GPS接收機以接受需要的信息[6-8]。用戶在參與外業(yè)工作時，通過GPS接收機即可快速定位、快速導(dǎo)航和后期導(dǎo)航。AHCORS技術(shù)能實現(xiàn)mm級、cm級、dm級、m級的定位功能，但根據(jù)需求需要在測區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)常年運行的若干固定的GPS參考站。

2.2 運行流程

虛擬基準站技術(shù)(VRS)是AHCORS進行實時定位的關(guān)鍵手段。在VRS網(wǎng)絡(luò)中，基準站的數(shù)據(jù)不會直接發(fā)送至用戶，而是將一手數(shù)據(jù)先發(fā)送至控制中心[9]。工作人員在實際操作中，提前發(fā)送一個大概的位置信息到控制中心，控制中心根據(jù)大概位置調(diào)取最近的一系列基準站用于服務(wù)?；鶞收臼盏接脩舻拇笾挛恢煤髸ㄟ^GPS改正位置誤差，這個過程涉及到大氣上空的對流層和電離層導(dǎo)致的細微誤差，基準站通過這種方式最終將高精度的差分信號發(fā)送給工作人員。虛擬基準站給出的差分信號可以模擬一個虛構(gòu)的參考站，有效解決了RTK在距離上的限制，同時保證了信息的準確度。下面介紹了該項服務(wù)的主要技術(shù)流程：

(1)系統(tǒng)控制中心全天24 h接收來自各地基準站通過各種網(wǎng)絡(luò)渠道發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)。

(2)控制中心在接受到觀測數(shù)據(jù)后即刻進行數(shù)據(jù)實時分析、解算，同時根據(jù)分析結(jié)果建立相應(yīng)的誤差模型。

(3)控制中心同時接收來自若干個流動站的位置坐標信息，此時控制中心即可在流動站旁虛擬建造一個基準站(VRS)，站點建立后實時工作逐步展開。通過實時解算得到VRS上各誤差源影響的改正值,并按RTCM格式通過NTRIP協(xié)議發(fā)送給流動站。

(4)流動站通過解算改正信息后即可得到其準確位置。

圖4 虛擬基站圖示

2.3 優(yōu)缺點分析

在山洪災(zāi)害調(diào)查中，環(huán)境往往是制約外業(yè)順利展開的主要因素。通過了解AHCORS的基本原理和流程不難發(fā)現(xiàn)其具備以下優(yōu)勢：

(1)因AHCORS采用虛擬基準站技術(shù)，不受天氣、視野和其他外在因素限制。

(2)有效擺脫了無線電技術(shù)的約束，利用因特網(wǎng)、GPRS和CDMA作為差分信號傳輸?shù)妮d體，使用者無需考慮距離過遠的影響。

(3)操作簡單、數(shù)據(jù)收集精準高效，可以提高工作效率和測量結(jié)果的準確性。

目前AHCORS技術(shù)存在的技術(shù)難題是在某些區(qū)域內(nèi)存在信號弱或無信號的問題，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)可能的原因有以下幾點：

(1)測量地區(qū)地形環(huán)境險惡，尤其是有大面積叢林和狹長峽谷。這種地方有效衛(wèi)星數(shù)量有限，RTK網(wǎng)絡(luò)不能得到固定解，加之衛(wèi)星信號被遮擋，測量結(jié)果往往會比較粗略。

(2)流動站與控制中心通過移動信號形成關(guān)聯(lián)，如果兩者間信號基站覆蓋不到，就會形成信號不穩(wěn)定作業(yè)區(qū)，流動站就沒法得到固定解。

(3)虛擬基準站(VRS)設(shè)置在基準站網(wǎng)以外，無法被有效覆蓋，固定解依然無法得到。

3 測量方案的選取

3.1 測區(qū)概況

伊吾河流域地處東天山東部哈爾里克山北坡，地理位置東經(jīng)90°21′～ 94°53′，北緯42°58′～43°18′。伊吾河是哈密地區(qū)年徑流量最大的一條河流，也是哈密地區(qū)唯一一條終年不封凍的河流。該流域出山口以上的地質(zhì)構(gòu)造為古生代沉積巖、變質(zhì)巖及火山巖，經(jīng)過多次強烈的構(gòu)造活動，形成了南高北低的地貌形態(tài)，在海拔3 600 m以上的高山區(qū)，終年為冰川、積雪覆蓋；在海拔1 000～3 600 m的中低山區(qū)，溝壑縱橫，水草豐美，是徑流形成區(qū)，也是洪水多發(fā)地區(qū)；海拔1 000 m以下為淖毛湖戈壁荒漠，是徑流散失區(qū)。

3.2 測量方案比選

3.2.1 AHCORS技術(shù)測量

伊吾河兩岸控制點還未完善，因此本次可以采用AHCORS技術(shù)在河道兩岸布置控制點。但是在測量時，由于河道周圍高大樹木、建筑物和其他環(huán)境因素，此方法很難達到預(yù)期效果，幾乎沒辦法得到固定解。此外由于海拔高，氣溫低，終年冰川覆蓋，外業(yè)測量有很大限制，特別是在測量河道上游3 600 m的高山區(qū)域，信號難以搜索等問題頻出。由此采用AHCORS技術(shù)來對伊吾河流域進行測評時只能用于控制點布置。

3.2.2 全站儀法

全站儀法是最真實的一種測量手段，使用該方法可以有效避免伊吾河流域高大遮擋物的影響[10]，但伊吾河流域環(huán)境艱苦，具有峽谷、冰川、谷地等地形，河道曲折視野差，測站的測量半徑僅為100 m，由此會不斷換點，增加了測量難度。鑒于全站儀的優(yōu)缺點，在對伊吾河測量中可以作為一個補測的方法，用于一些谷地、茂密樹林等地的測量。

3.2.3 傳統(tǒng)RTK法

該法需要在所測區(qū)域設(shè)置基準站，且架設(shè)基準站的位置應(yīng)該是開闊無遮擋的高地，伊吾河流域高差大，3 600 m以上的高原地區(qū)常年冰封，不適合作為基準站，因此將基準站設(shè)置在中低山區(qū)的平原地帶。

綜合評價伊吾河附近地形后，最終確定將基準站架設(shè)在海拔1 000 m以下淖毛湖戈壁荒漠區(qū)域，距離湖水水面高差近10 m，視野開闊。首先采用AHCORS技術(shù)在戈壁荒漠區(qū)域設(shè)置一對控制點，接著布設(shè)基準臺，此時采用傳統(tǒng)RTK測量模式。傳統(tǒng)RTK測量模式測量橫斷面、縱斷面和水面線時，采用“一拖二”的測量模式。兩臺流動站，一臺測橫斷面，其余一臺負責(zé)剩余兩個斷面的測量。在地形復(fù)雜地區(qū)可以用RTK做控制配合全站儀使用，環(huán)境較好地區(qū)可直接使用網(wǎng)絡(luò)RTK給出的差分數(shù)據(jù)。簡而言之，就是有網(wǎng)絡(luò)信號和CORS覆蓋范圍的地方就選擇網(wǎng)絡(luò)RTK工作模式(CORS)，沒有網(wǎng)絡(luò)信號和CORS覆蓋范圍的地方就選擇傳統(tǒng)(電臺)RTK工作模式。在水深測量項目中，RTK模式需配合回聲測量儀使用，水深數(shù)值會記錄在RTK手薄編碼中。在規(guī)定一個月時間內(nèi)，通過各項儀器的優(yōu)勢互補，網(wǎng)絡(luò)RTK和傳統(tǒng)RTK配合工作，最終順利完成了測量工作。

4 結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)是在傳統(tǒng)RTK技術(shù)上發(fā)展起來的，現(xiàn)如今網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)不斷成熟，國內(nèi)多家企業(yè)已經(jīng)在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了更優(yōu)質(zhì)的實用軟件?？墒侵萍sRTK技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵性問題依然亟需解決，比如各個地區(qū)建立的數(shù)據(jù)庫無法統(tǒng)一，沒有一致的標準、數(shù)據(jù)傳送過程中存在著數(shù)據(jù)格式不同，兼容性低的問題、難以形成誤差模型等。使用網(wǎng)路RTK時，無法避免大氣影響下數(shù)據(jù)誤差的形成，被動的微調(diào)難以改變信息傳播中的錯誤。

在未來一段時間內(nèi)，RTK依然是主流方向，它在災(zāi)害防治、地形測量和控制測量依然發(fā)揮著中流砥柱的作用，科技的進步促使它向高精度，抗干擾性強的方向推進。RTK技術(shù)的強大功能與潛力尚未充分發(fā)掘，與GIS集成、實時控制、綜合自動化作業(yè)是其未來的發(fā)展方向，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在山區(qū)等隱蔽區(qū)域的功能限制會是以后RTK技術(shù)的重點研究內(nèi)容。