摘要：随着RTK-GPS技术在水下地形测量中的应用不断普及及水上导航测量软件的成熟，一种新型的水深测量方式得到推广，并渐渐成为日后发展的趋势。本文根据实践经验，介绍了利用RTK-GPS技术在水下地形测量中的应用。
关键词：RTK技术；转换参数；坐标系统
全球定位系统（GPS）是由美国国防部研制的新一代空间卫星定位系统，其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航定位服务。尽管GPS对于大地测量与普通工程测量的作用越来越明显，但如果要获得高精度的实时三维坐标，在GPS测量中要采用实时动态测量技术，即RTK（Real-time kinematic）。RTK使用由数据通信链路传送的已知参考站GPS接收机获得的原始观测数据或相位改正数据，通过在线式（On-line）或实时（Real-time）建立未知点与已知参照站的位置关系，从而计算得到用户接收机的精确位置。与常规测量方式相比，利用GPS-RTK技术结合测深仪，在导航软件的控制下，可以对整个测区布置计划线，使船沿计划线行进；可以对水面点的三维坐标和瞬时水深进行实时测量和记录，并按一定的时间或距离进行存储，可以方便快捷地进行测量。在珠江三角洲水资源配置工程可行性研究阶段通航安全影响论证、通航条件论证水下地形图测量中，每艘船每小时可测5~8km，大大地缩短了工期。
1 GPS-RTK技术工作原理
GPS全球定位系统定位功能的实现，主要是利用卫星技术，通过高速运动的卫星瞬间位置确定已知点起算数据，应用空间距离后交会法，对需要测量地点的位置进行确定。在应用中，常见的CPS测量技术如静态测量、动态测量等，通过对数据的解算后，可以获得精度较高的测量结果。RTK技术中应用的是载波相位动态实时差分技术，可以实现实时厘米级定位，是GPS定位技术新的发展与进步。随着GPS-RTK技术的不断发展，其在工程测量、测图工程、地籍测量等领域的应用越发广泛，引发了测量技术的革命。
RTK在作业过程中，基准站主要负责获得观测值、测站信息及各种数据，并通过数据链，将数据传输给流动站，通过流动站对差分观测值进行实时处理，并计算出定位结果，其定位精度达到厘米级。GPS-RTK技术的应用，极大降低了操作强度，减少了测量作业人员数量，并可以在不具备通视条件的环境下作业，其测量精度较高，应用优势十分明显。
2 控制网布设
一般而言，GPS控制网的建立包括3个部分：
（1）选择一个与WGS-84坐标系统相匹配的坐标系统，在我国一般选择北京54坐标系或地方独立坐标系。
（2）进行GPS控制网的布设和数据采集，控制网的布设取决于工程控制的目的和需要，数据采集则根据控制网的等级和要求采用不同类型的GPS接收机和观测时间的长短。
（3）GPS数据处理和资料整理GPS控制网的网形设计比较灵活，既不像常规测量中要求控制网有严密的网形设计，又不要求考虑点与点之间的通视，但GPS控制网布设也有相关的规定，在布网时，虽然GPS测量不受地面图形影响，但布网时也应考虑点位的图形结构，主要是：在布设大范围的GPS控制网时，一般采用逐步推进的方法，若不考虑图形结构，在内插一些点后，整个控制网易产生扭曲；GPS网必须由非同步独立观测边构成的若干个闭合环或符合导线构成；GPS网的点与点尽管不需要通视，但考虑利用常规方法加密的需要每个点应有一个方向通视。
3 坐标转换
在GPS测量中，GPS数据通常采用的是1984年世界大地坐标系（WorldGeodeticSystem1984即WGS-84）WGS-84坐标系是美国国防部研制确定的大地坐标系，WGS-84坐标一般用B，L，H表示，B称为大地纬度、L称为大地经度、H称为大地高而我国采用的坐标系是北京-54坐标系或地方独立坐标系，北京-54坐标系属于参考大地坐标系，参考椭球为克拉索夫斯基椭球，其主要参数为：长半轴=6378245，扁率=1/298.3地方独立坐标系统则视不同情况而定，北京-54坐标或地方独立坐标一般用X，Y，Z表示，Z为高程，即正高Hg，在利用RTK技术进行GPS测量过程中，确定坐标转换的关键是根据已知参考点解算转换参数，已知参考点一般应具有两套坐标系统的坐标值，常用方法为七参数法，常用模型为Bursa公式。
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4 高程异常
GPS测量所得的点的坐标属于WGS-84坐标系统，其高程H是大地高，而我国一般工程测量中所用的高程是正常高，两者所采用的高程基准面是不一样的因此，在工程应用中应将所得的大地高转换为正常高，两者之间的差值即是高程异常一般来说，GPS高程转换的实质是求地面上各点的高程异常具体方法有4种：
4.1利用重力场模型求高程异常
高程异常是地球重力场模型的重要参数，利用地球重力场模型，根据点位信息，可直接求得该点的高程异常值在某一区域内，只要有足够多的重力测量数据，就可以较为精确地求定该区域的高程异常值但此方法需要足够多且精度足够高的重力测量资料，难以实现。
4.2数学模型拟合法
在某一区域内，如果有一定数量的已知正常高的水准点或通过水准联测求得部分GPS点的正常高，则这些点的高程异常值就可以根据公式求再利用数学函数模型来模拟该区域的似大地水准面高，于是就可以利用内插法来求该区域内某一点的高程异常值根。
据数学模型的不同，数学模型拟合法又分为加权平均法、多面函数法、平面拟合法、二次曲面拟合法等。
4.3联合平差法
在某一区域内，如果具有重力测量、水准测量及GPS测量等多种观测数据资料时，即可用整体平差模型将这些观测数据进行联合平差，最终可求得地面点的正常高高程，联合平差法综合了上述几种方法的优点，但其精度仍取决于区域的大小，己知数据的密度和分布、己知数据的精度以及平差模型的优化。
4.4平差转换法
在某一区域内，如果有一些点具有三维坐标，可以根据前述坐标转换的原理，求得参考椭球面和似大地水准面之间的转换参数，并将所求得的参数加入GPS网的平差计算中，在已知点的三维约束下，通过网平差求出未知点的正常高这种方法的精度取决于区域的大小，己知点的密度和分布、己知点的精度以及所求转换参数的精度。在广东华润西江发电厂“上大压小”新建工程项目配套专用码头工程中，便采用了平差转换法精确地得到了所测点的满足工程要求的正常高。
5 GPS-RTK技术在江河水下地形测量中的应用
在江河水下地形测量中应用GPS-RTK技术，在水面平面定位及水面高程测量作业中，选择两台GPS-RTK流动站及一台GPS-RTK基准站协调作业，通过一台中海达测深仪进行江河水深测量，通过导航软件，实现定位及导航，并采集水深等数据。在测量作业中，将导航软件定位时间、导航时间与采集水深的时间统一，全部采取GPS时钟时间，从而避免计算机与GPS之间存在的时钟误差。
应用全站仪，对江河水面高程进行测量，并将全站仪水面高程测量的结果与导航软件水面高程测量结果及GPS-RTK所获得的水面高程数据进行对比，并应用测尺，对水面高程进行测量，通过对比所有数据，当结果保持一致时，方可进行江河水下地形测量，以此消除误差，保证测量精度。设置水下数据采集以每秒一组的形式进行获取，并对数据分析与处理。
在进行水下测量作业的同时，应用全站仪直接验潮，并在水下测量之前开始测定，其测量时间间隔设计为10分钟，当水下测量结束后，全站仪验潮仍需要进行10分钟测量，从而保障水面高程测量的精度。在江河水下地形测量时，其布线方式上选择为断面法，断面间距一般按图上15~20mm布设，保证断面与岸线连线保持垂直。在完成江河水下地形测量工作后，需要核实高程数据是否符存在异常，在保证数据准确的基础上，利用测量软件转换为数据格式，并与水上地形结合，实现数字化成图，最终获得该水域水下地形图，为该区域设计与施工提供了基础数据。
6 GPS-RTK测量注意要点
在应用GPS-RTK技术作业时，存在着一些因素会对GPS-RTK测量精度造成一定程度的影响，为保障GPS-RTK精度，需要做好以下工作：基准站坐标精度直接影响着测量精度，为此需要保证基准站坐标精度良好；保证坐标转换参数精度；基准站架设区域内应远离大功率无线电等环境，避免干扰，保证测量信号传输的可靠性等。
结语
GPS-RTK技术是目前测量中定位快速，精度水平高的一种先进的测量方法在楠溪江河道划界工程水下地形测量过程中，采用GPSRTK技术、测深仪、导航同步观测软件相结合的测量方法，应用结果表明RTK的技术特点，保证了测量的准确性、连续性和实时性，从而使得水下测量变得快速、精确、方便。
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论文作者:冯金毅
论文发表刊物:《基层建设》2017年3期
论文发表时间:2017/5/5
标签：测量论文; 高程论文; 水下论文; 坐标论文; 精度论文; 技术论文; 坐标系论文; 《基层建设》2017年3期论文;