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《長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)》2016年第2期

摘要：

以海南碼頭疏浚工程的水下地形測量為研究對(duì)象，介紹了GPS－RTK的使用及應(yīng)該注意的問題，給出了本工程水下地形測量的作業(yè)流程，分析了影響水下地形測量精度的幾種因素及相應(yīng)對(duì)策，并通過本工程實(shí)際案例結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：

GPS－RTK；水下地形測量；中海達(dá)；實(shí)際案例

1工程概述

海南國電西南部電廠配套碼頭疏浚工程，分二期建設(shè)。本次工程先建設(shè)一期機(jī)組以及配套的海域工程。南防波堤長1292．6m，為斜坡式結(jié)構(gòu)。內(nèi)、外坡坡度均為1︰1．5，堤頭采用14t扭王字塊體護(hù)面；堤身采用12t、6t扭王字塊體護(hù)面。北防波堤總長1429m，為斜坡堤結(jié)構(gòu)。內(nèi)、外坡坡度均為1︰1．5，堤頭采用14t扭王字塊體護(hù)面。防波堤典型斷面圖如圖1所示。本工程有港池、航道疏浚施工。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，港池疏浚量約436萬m3，疏浚底標(biāo)高－14．40m?；匦蛑睆?56m，設(shè)計(jì)坡比1︰4。在施工之前需要先進(jìn)行水下地形測量，利用GPS－RTK定位數(shù)據(jù)和測深儀測深數(shù)據(jù)，結(jié)合裝有成圖軟件的便攜式電腦，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測圖，為挖泥船施工提供依據(jù)［1］。疏浚施工平面布置圖如圖2所示。

2GPS－RTK的使用

2．1RTK的使用步驟

1）架設(shè)基站、組裝移動(dòng)站。

2）基準(zhǔn)站設(shè)置。首先用手薄連接基準(zhǔn)站接收機(jī)，（手薄開機(jī)，進(jìn)入HiRTK道路版，選擇“2．0GPS”圖標(biāo)，點(diǎn)擊連接GPS，連接，搜索，選中我們要連接的設(shè)備S／N：號(hào)碼→連接）連接好后GPS會(huì)有一聲“咚”的提示音。這時(shí)會(huì)自動(dòng)跳到GPS連接后的界面，這時(shí)所有按鈕都變?yōu)樗{(lán)色，點(diǎn)擊基準(zhǔn)站設(shè)置，在跳出的界面里面的位置按鈕里面點(diǎn)擊平滑，等平滑10次以后點(diǎn)擊確定，在跳出的設(shè)置成功對(duì)話框中點(diǎn)擊“OK”，退出此界面，點(diǎn)擊斷開GPS接收機(jī)。

3）連接移動(dòng)站接受機(jī)。連接藍(lán)牙同上，連接好后，進(jìn)入移動(dòng)站設(shè)置：點(diǎn)擊數(shù)據(jù)鏈（數(shù)據(jù)鏈可以選擇內(nèi)置電臺(tái)和內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置網(wǎng)路即手機(jī)卡模式）；點(diǎn)擊“其他”按鈕設(shè)置差分模式：選中RTK，電文格式選中“SCMRX”，這時(shí)點(diǎn)擊確定，收到差分信號(hào)后單點(diǎn)會(huì)變?yōu)楣潭?。這樣移動(dòng)站設(shè)置成功。退出此界面。

4）新建項(xiàng)目。點(diǎn)擊圖標(biāo)1項(xiàng)目按鈕→新建→輸入文件名稱打勾→在左上角點(diǎn)擊→項(xiàng)目信息→選擇坐標(biāo)系統(tǒng)→在跳出的對(duì)話框里面更改投影下面的中央子午線，設(shè)為當(dāng)?shù)刂醒胱游缇€；檢查“平面轉(zhuǎn)換”“橢球轉(zhuǎn)換”“高程擬合”在為求參數(shù)之前都選擇無→點(diǎn)擊“保存”。

5）參數(shù)計(jì)算。①首先進(jìn)入“5測量”圖標(biāo)，移動(dòng)站在控制點(diǎn)上采集坐標(biāo)，采集控制點(diǎn)時(shí)用∑／n按鈕采集，即：平滑（控制點(diǎn)最少2個(gè)）。采集控制點(diǎn)坐標(biāo)→點(diǎn)擊測量里面最左上角“碎步點(diǎn)采集”按鈕→選擇控制點(diǎn)庫→點(diǎn)擊左下角“＋”號(hào)按鈕，輸入已知控制點(diǎn)坐標(biāo)。突出測量界面，點(diǎn)擊“3參數(shù)”，點(diǎn)擊左上角→坐標(biāo)系統(tǒng)→參數(shù)計(jì)算，在跳出的對(duì)話框里面點(diǎn)擊添加→源點(diǎn)（已知點(diǎn)用GPS現(xiàn)場采集的坐標(biāo)），下面目標(biāo)點(diǎn)（次點(diǎn)對(duì)應(yīng)的已知坐標(biāo)）→保存（在這里我們不用輸入，可以直接調(diào)用，點(diǎn)擊“123”按鈕找到點(diǎn)名確定即可）。兩組點(diǎn)添加完成后點(diǎn)擊“解算”，在跳出的對(duì)話框里面檢查“旋轉(zhuǎn)和縮放”，旋轉(zhuǎn)是否接近0度，縮放是否接近1，若接近則點(diǎn)擊“應(yīng)用”，再點(diǎn)擊“保存”，在跳出的對(duì)話框點(diǎn)擊“OK”，然后點(diǎn)擊打勾按鈕，在退出的界面點(diǎn)“插”按鈕退出?，F(xiàn)在就可以進(jìn)行測量。②平面控制：各挖泥船、測量船均配備GPS接收機(jī)系統(tǒng)，接收岸臺(tái)發(fā)送的RTCM格式的差分GPS校正信號(hào)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示架設(shè)天線點(diǎn)處坐標(biāo)，控制抓泥船方位，從而在測量導(dǎo)航軟件窗口中自動(dòng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)時(shí)船位，指揮抓泥船定位施工。③測量船配備自動(dòng)測深成圖系統(tǒng)，由安裝了中海達(dá)GPS測量導(dǎo)航和成圖軟件的便攜式電腦自動(dòng)同步收集、記錄GPS定位數(shù)據(jù)和測深儀測深數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測圖，可以迅速提供準(zhǔn)確的水下地形測量成果，及時(shí)指導(dǎo)挖泥船施工。

2．2RTK作業(yè)時(shí)應(yīng)該注意的問題

2．2．1有關(guān)基準(zhǔn)站的問題

1）因?yàn)镽TK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，RTK定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測數(shù)據(jù)（偽距觀測值，相位觀測值）及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)。所以：①電臺(tái)天線要盡量高。②電源電量要充足，否則也將影響到作業(yè)距離。

2）設(shè)站時(shí)要限制最大衛(wèi)星使用數(shù)，一般為8顆。如果太多，則影響作業(yè)距離；太少，則影響RTK初始化。

3）如果不是使用七參數(shù)，則在設(shè)置基準(zhǔn)站時(shí)要使TransformTowg；ss4（轉(zhuǎn)換到WGS84坐標(biāo)系）處于off（關(guān)閉）狀態(tài)。

4）如果使用七參數(shù)，則AX，AY，AZ都小于±100較好，否則重求。

5）在求轉(zhuǎn)換參數(shù)前，要使參數(shù)轉(zhuǎn)換和七參數(shù)關(guān)閉。

6）在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不到1s?；鶞?zhǔn)站和移動(dòng)站必須要保持4顆以上相同衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，所以有時(shí)偶爾RTK沒有固定解也是很正常的。

2．2．2有關(guān)流動(dòng)站的問題

1）解的模式要使用RTKExtrap（外推）模式。

2）數(shù)據(jù)鏈接收間隔要與基準(zhǔn)站設(shè)置的發(fā)射間隔一致，都要為1。

3）如果使用海洋測量軟件導(dǎo)航、定位，則：①記錄限制要為RTK固定解。②高程改正要在天線高里改正。

4）差分天線要盡可能高。

3水下地形測量

本工程水下高程測量使用RTK與測深儀（中海達(dá)HD－370）相結(jié)合進(jìn)行測量。采用水尺校核。RTK提供實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，數(shù)字測深儀提供同步水深，水尺效核潮位，確定目標(biāo)測點(diǎn)高程。

3．1測前的準(zhǔn)備

1）求轉(zhuǎn)換參數(shù)。①將RTK基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)A上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、發(fā)射間隔及最大衛(wèi)星使用數(shù)，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)，輸入基準(zhǔn)站坐標(biāo)（該點(diǎn)的單點(diǎn)84坐標(biāo)）后設(shè)置為基準(zhǔn)站。②將GPS移動(dòng)站架設(shè)在已知點(diǎn)B上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、接收間隔，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)后，求得該點(diǎn)的固定解（84坐標(biāo)）。③通過A、B兩點(diǎn)的84坐標(biāo)及當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2）建立任務(wù)，設(shè)置好坐標(biāo)系、投影、一級(jí)變換及圖定義。

3）做計(jì)劃線，如果已經(jīng)有了測量斷面就要重新布設(shè)，但可以根據(jù)需要進(jìn)行加密。

3．2外業(yè)的數(shù)據(jù)采集

1）基準(zhǔn)站應(yīng)架設(shè)在求轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)架設(shè)的基準(zhǔn)點(diǎn)上，且坐標(biāo)不變。

2）將GPS接收機(jī)、數(shù)字化測深儀和便攜機(jī)等連接好后，打開電源。設(shè)置好記錄、定位儀和測深儀接口、接收機(jī)數(shù)據(jù)格式、測深儀配置、天線偏差改正及延遲校正。［2］

3）作業(yè)時(shí)，打開海洋測量軟件，根據(jù)施工要求預(yù)先繪畫出測量區(qū)域和斷面線，安裝并調(diào)試好GPS和測深儀；到實(shí)地作業(yè)時(shí)主要開啟GPS和海洋測量軟件，屏幕上的導(dǎo)航窗口就能實(shí)時(shí)顯示出測量船位置、航跡向和坐標(biāo)，當(dāng)接通相應(yīng)的數(shù)字化測深儀時(shí)，水深顯示窗口就顯示出瞬時(shí)水深值，引導(dǎo)測量工作船沿待測斷面線航行，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存。

3．3水下泥面標(biāo)高換算

基本原理：利用實(shí)時(shí)相位差分（RTK）實(shí)時(shí)測得GPS天線的三維坐標(biāo)（x，y，h）結(jié)合由測深儀同步測得的換能器至海底的深度ΔH1，將由GPS測得的天線高h(yuǎn)換算到同一水平面上的水下泥面標(biāo)高H。換算公式H＝h－ΔH1－ΔH2，式中ΔH2為連接GPS天線與測深儀換能器的聯(lián)桿長度。由于系統(tǒng)在測量過程中是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，GPS接收儀與測深儀的數(shù)據(jù)采集也是隨著運(yùn)動(dòng)同步進(jìn)行的，顯然在上述的測量過程中，與水面變化無關(guān)，無需對(duì)水面高程進(jìn)行測定，即無需驗(yàn)潮。

3．4數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理

1）將外業(yè)所測數(shù)據(jù)存入電腦。

2）所采集樣點(diǎn)高程數(shù)據(jù)用中海達(dá)海洋成圖軟件對(duì)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理和修正，生成地形圖（或水深圖）、斷面圖或三維地形圖等，自動(dòng)計(jì)算斷面填方面積和體積。數(shù)據(jù)處理和編輯是高度自動(dòng)化。外業(yè)測量數(shù)據(jù)通過專用軟件進(jìn)行處理，可以快速繪制斷面圖，三維立體圖可以直觀地反映水下地形或拋石成型情況。用于疏浚港池、航道施工測量十分方便準(zhǔn)確，相關(guān)斷面資料、挖填方量信息可實(shí)時(shí)提取。GPS－RTK自動(dòng)測深系統(tǒng)組形成拋石斷面圖如圖5所示。

3．5影響測量精度的幾種因素及相應(yīng)對(duì)策

1）船體搖擺姿態(tài)的修正。船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進(jìn)行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)，通過專用的測量軟件接入進(jìn)行修正。

2）采樣速率和延遲造成的誤差。GPS定位輸出的更新速率將直接影響到瞬時(shí)采集的精度和密度，現(xiàn)在大多數(shù)RTKGPS最高輸出率可達(dá)20Hz，而各種品牌測深儀的輸出速度差異很大，數(shù)據(jù)輸出的延遲也各不相同。因此，定位數(shù)據(jù)的定位時(shí)刻和水深數(shù)據(jù)的測量時(shí)刻的時(shí)間差造成定位延遲。對(duì)于這項(xiàng)誤差可以在延遲校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返測量結(jié)果計(jì)算得到，也可以采用以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3）RTK高程可靠性的問題。RTK高程用于測量水深，其可信度問題是備受關(guān)注的問題。在作業(yè)之前可以把使用RTK測量的水位與人工觀測的水位進(jìn)行比較，判斷其可靠性，實(shí)踐證明RTK高程是可靠的。為了確保作業(yè)無誤，可從采集的數(shù)據(jù)中提取高程信息繪制水位曲線（由專用軟件自動(dòng)完成）。根據(jù)曲線的圓滑程度來分析RTK高程有沒有產(chǎn)生個(gè)別跳點(diǎn)，然后使用圓滑修正的方法來改善個(gè)別錯(cuò)誤的點(diǎn)。［3］

3．6實(shí)際案例預(yù)設(shè)

施工控制格網(wǎng)參數(shù)，根據(jù)以往類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)填補(bǔ)欠缺、拋填理坡作業(yè)，監(jiān)測格網(wǎng)按5．0m×2．0m設(shè)置可獲得比較滿意的效果。按預(yù)設(shè)格網(wǎng)的測點(diǎn)密度進(jìn)行水下地形測量。GPS移動(dòng)站、測深儀、電腦及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件安裝在小艇上，組成專用測量船，施測時(shí)采用定距（2m）打點(diǎn)方式記錄測量數(shù)據(jù)，測量船沿預(yù)設(shè)測區(qū)測一遍即可獲得該測區(qū)的水下地形資料數(shù)據(jù)。

4結(jié)語

在海南國電西南部電廠配套碼頭疏浚工程水下地形測量過程中，測量船配備自動(dòng)測深成圖系統(tǒng)，由安裝了中海達(dá)GPS測量導(dǎo)航和成圖軟件的便攜式電腦自動(dòng)同步收集、記錄GPS定位數(shù)據(jù)和測深儀測深數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測圖，可以迅速提供準(zhǔn)確的水下地形測量成果，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示架設(shè)天線點(diǎn)處坐標(biāo)，控制抓泥船方位，從而在測量導(dǎo)航軟件窗口中自動(dòng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)時(shí)船位，指揮抓泥船定位施工，為挖泥船施工提供指導(dǎo)依據(jù)。通過本工程水下地形測量方法，可以為今后同類工程施測提供重要的參考與借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］盧秀明．淺議東莞航道1︰2000水下地形測量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)［J］．測繪，2009（1）：22－24．

［2］佘繼紅．利用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行水下地形測量的方法探討［J］．現(xiàn)代測繪，2010（4）：18－21．

［3］許寶華，何慧蘭．提高河口地區(qū)水下地形測量精度的方法［J］．地理空間信息，2010（5）：28－30.

作者:王春茶 單位:福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系