浅谈GPS RTK 在水深测量中的应用

加单位

摘要：本文通过阐述GPS RTK 的原理，并与传统的全站仪定位测量模式进行对比，同时介绍水深测量的原理，结合实例说明GPS RTK在水深测量中的应用，最后提出一些影响GPS RTK和水深测量的因素及其对策。

关键词：GPS RTK ；水深测量；精度

1. 引言

传统的内河航道测量通常采用全站仪定位、测深仪测深、水尺控制水位的模式进行，这种工作模式需要付出较多的人力、物力，精度及效率都比较低。将GPS RTK现代测绘新技术应用到水深测量中，不仅能提高测量精度，并且能够节省人力、物力和财力，为创造良好的经济和社会效益提供重要的技术支持。

2. GPS RTK简介

2．1 RTK的原理

RTK（Real Time Kinematic实时动态测量）即在基准站上安置一台GPS接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电设备实时地将观测数据及测站坐标信息传送给流动站，流动站一方面同步观测采集GPS卫星载波相对数据，另一方面通过无线电接收设备接收基准站传送的载波相对观测值、伪距观测值等数据，根据相对定位原理进行数据处理，实时地以厘米级（毫米级）的精度给出流动站三维坐标。

2．2RTK与全站仪的对比：

（1）定位精度的对比：全站仪与目标的距离越远，精度越差，当距离超过3公里时，其精度已经超过厘米级。全站仪与目标之间的介质（如炎热天气时的温度、气压、水蒸汽等）对光的传播速度有直接影响，从而影响精度。全站仪在多次搬站后，都存在误差累积的状况，搬站越多，误差越大。而RTK虽然受基准站、无线电、流动站的影响，但只要在10公里的测程半径范围内，RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。

（2）人工成本的对比：全站仪至少要4～5人才能完整的完成工作；而GPS RTK只需架设完成基准站， 1人操作测量船另外1人观测水位。所以RTK技术在节省工程成本，提高工作效率方面做出一定的作用。

3. 水深测量简介

测深仪的原理：设声波在水中的传播速度为V，测深仪换能器发射声波到水底，并由水底反射回到换能器被接收，声波在水中的往返时间为T，那么水深Z=VT/2。如图所示：

水深测量示意图

4．RTK技术在水深测量中的应用实例

4．1测区简介

某测区位于广州市南沙开发区小虎岛附近，本次测量任务为1:2000比例尺水深测量，范围为河口往上游约2.8 公里。测区内已知控制点可以满足测量要求。

4．2测量设备

本次测量平面定位采用美国天宝双频接收机（标称静态精度5mm±1 ppm、动态精度10mm±1 ppm），测深设备采用国产中海达HD系列回声数字化测量仪。通过计算机实时记录各个定位点的平面位置和水深数据。

4．3水深测量的基本过程

水深测量过程中GPS RTK的作用在于平面位置的定位，而测深仪的作用在于水深数据的采集。其过程大致分三阶段：测前准备阶段、水深数据采集阶段和水深数据后处理阶段。

4．3．1测前准备阶段：

（1）布置测深断面线。根据测区的坐标系统和测量范围建立任务，在测区内布置垂直于航槽线的测深断面线。

（2）水位观测。水位观测应在测前10分钟开始，测后10分钟结束。在进行水深测量的同时，同步进行水位观测；考虑到本工程接近珠江口，潮汐变化较大，故在水位观测时采用10分钟一次。

（3）将基准站架设在已知点A上，同时设置好测区的参考坐标系、投影参数、卫星限制高度等，并输入基准站的三维坐标，启动基准站，发射无线电。

（4）流动站到附近的已知点B、C点上进行校核检测定位精度，检测的结果如下表所示。

流动站检测校核表

点 名 原始数据 实测数据 差值

已知点B X1 252***7.810 X2 252***7.801 X -0.009

Y1 3845***9.101 Y2 3845***9.113 Y 0.012

H1 2.763 H2 2.753 H -0.010

已知点C X1 252***1.821 X2 252***1.837 X 0.016

Y1 3845***9.087 Y2 3845***9.079 Y -0.008

H1 2.815 H2 2.804 H -0.011

注：表中X=X2-X1，Y=Y2-Y1，H=H2-H1

经过检测校核，控制点平面坐标及高程均满足相关规范要求，可以进行平面定位测量。

在水较浅处，通过测深杆读数和测深仪数据读数比对，满足要求后，即可以进行水深数据采集。

4．3．2水深数据采集阶段：

RTK及计算机结合自动定位，并实时通过数据线将测深仪水深数据传输到计算机成图。避免全站仪模式要将平面定位数据和水深数据拼在一起而产生的麻烦和不必要的错误。在采集过程中，由于GPS 天线与测深仪的换能器处于同一垂直面，GPS接收的时间与采集水深数据的时间同步，而且GPS的定位点与水深采集点重合，从而提高了数据资料的准确性，为工程的质量打下良好的基础。其具体的采集过程如下：

（1）将GPS接收机、测深仪和计算机连接完成，设置测深仪的记录设置、吃水深度和采集数据频率等，并打开各种仪器的电源，对仪器进行初检。

（2）当GPS接收机收到固定解，测量船开到测区内。测量船会在便携式计算机上显示一个船型图标，并显示测深断面线。

（3）控制好测量船，尽量使船型图标保持在测深断面线上面，设置好计算机的记录保存功能，计算机会实时地将测深仪采集的水深数据及RTK采集的平面位置一一对应的保存。

4．3．3水深数据后处理阶段：

利用中海达水深后处理软件，导出测深仪采集的原始水深及平面位置数据；将动态的改正后的水位观测数据录入到软件中，软件自动生成改正后的水深值。最后用南方CASS成图软件内业编辑成图。

5．影响GPS RTK和水深测量的因素和对策：

实践证明，GPS RTK 为航道水深测量带来重要的技术支持，完全能够满足精度的要求。但在使用RTK进行水深测量时，测量精度也会受到卫星信号、无线电及船体摇晃等因素的影响，下面就可能遇到的问题提出可解决的方法：

（1）卫星信号问题。RTK要获得高精度的数据，首先一个要素就是要获得至少5颗卫星的信号。故此应在开阔的地方开展工作，至少在截止高度角15°范围内没有遮挡物，应避免在大桥底、高压线下面等地方作业。

（2）无线电问题。RTK的初始化受限于基准站所发出的无线电，距离越远，精度越差。基准站的电台应尽量架设在地势较高且较空阔并处于测区中间的地方，远离强磁、无线电信号发射设备、变电站等以免对无线电造成干扰。

（3）船体的问题。船体的上下、左右摇晃都不同程度影响到水深数据的精度，当沿海波高超过0.6米，内河波高超过0.4米时，应停止作业。

6．结论

GPS RTK这种测量定位新技术在未来的测绘行业将发挥越来越大的作用，利用RTK技术进行水深测量，使得水深测量这项工程变得简单，快捷，高效。由于RTK作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了测量效率，所以GPS RTK 定位技术将为航道水深测量提供高精度、高质量和高效益的应用前景。