浅谈GPS数字化水深地形测量的应用

摘要：随着社会的不断进步和经济的快速发展，推动了城市化建设进程的加快，在城市规划以及各类工程建设中，水下地形测量都是不可或缺的重要环节之一。以往水下地形测量工作采用的都是一些常规的测量方法，在实际应用中发现，这些方法都或多或少存在一些缺点，而自从GPS 技术在各个领域内获得推广使用后，给水下地形测量工作带来了极大的便利。

关键词：GPS；RTK；地形测量；精确度

Abstract: with the rapid development of society and economy, promote the process of building the city to speed up, in the city planning and construction, the underwater topographic survey is one of the indispensable important link. The underwater topography surveying work are used in some of the conventional measuring method, found in the practical application, these methods have some shortcomings, but since the GPS technology was used in various fields, underwater topographic survey work has brought great convenience.

Keywords: GPS; RTK; topography measurement; accuracy

中图分类号:O4-34文献标识码：A文章编号：

引言

地形测量离不开控制测量, 在区域地形测量中, GPS已成为建立首级平面控制网的首选方法。随着GPS技术的不断完善, 不仅是高等级的首级网和加密网, 甚至图根点和航空摄影测量像控点的测定也广泛采用了GPS, 从而大大降低了测量人员外业工作的强度并提高了测量工作效率。

传统的地形测量首先要依测区面积在测区布首级控制网, 依需要加密图根控制点, 然后在图根点上架设全站仪采集数据, 每组最少需要三人。如果采用RTK 测图则仅需一人携仪器在要测的地物、地貌特征点上1~ 2 s, 并同时输入特征编码, 将一个区域所采集的数据导入计算机, 再采用专业绘图软件, 进行编绘, 就可以输入所需的地形图。这样不仅节约了人力, 同时克服了传统测量中必须要求通视的缺点, 特别在起伏比较大的山地中使用该技术时, 可极大地提高工作效率。

1 GPS系统

GPS系统包括了空间部分、地面部分和用户设备三大部分。空间部分是该系统的核心, 它由21颗均匀分布于6个轨道面上的卫星组成, 能够全天候的实时向多用户提供三维定位和授时。

GPS RTK 定位原理: 基准站实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等数据用无线电传送给流动站, 流动站将收到的数据实时进行差分处理, 得到基准站与流动站的坐标差x、y、z。通过数据转换得到流动站的平面坐标和高程。此过程就是GPS RTK的定位过程。

2 使用GPS RTK 测图方法

在地形测量中, 主要是用静态测量控制点, 用RTK 来完成碎部测量。

GPS RTK可以不进行大面积控制点布设, 仅在测区布设一定数量的基准控制点, 便可快速测定地形、地物特征点坐标, 利用测图软件在野外一次测绘编辑成电子地形图。

2.1 准备工作

测量前应对整个测区进行详细的现场踏勘, 了解当地原有测量资料、交通情况, 初步确定基准点的布控方案。对仪器进行常规性检验, 包括电池、电量、内存容量以及使用软件。

2.2 作业依据

1)《全球定位系统(GPS)测量规范》(CH2001- 92)。

2) 《全球定位系统城市测量技术规程》(CJJ73- 79)。

3)《大比例尺地形机助制图规范》( GB14912- 94)。

4) 《1：500、1：1000、1：2000地形图图式》(GB/T7929-1995)。

2.3 基准站选点, 埋石

1) 基准点应尽可能选择在交通便利, 便于安置接受设备和便于操作的地方。所建造之点应便于保存。

2) 选点时如无法避开成片植物, 应在测量前将基准点15℃角以上部分植物砍去。点位应尽量远离高大建筑物和成片水域地区。

3) 在基准点200 m 范围内应无大小功率无线电发射设施, 及高压输变电线路及设备。

4) 基准站的间距须考虑GPS电台的功率和覆盖能力, 应尽量布设在测区内相对较高的突出位置上, 以获得最大的数据通讯有效半径, 从而减少基准点的个数。

5) 埋石应视测区未来对点位的要求而定。

2.4 数据处理

外业观测数据根据作业单位使用软件情况自行处理, 精确计算各基准站点坐标。

2.5 基准站设置

1) 输入正确的基准站WGS - 84坐标, 及准确的仪器高。

2) 选择RTK 模式的发射差分数据。

3) 选择恰当的波特率。

2.6流动站设置及转换参数求解

利用电子手簿输入正确的流动站高度, 同时输入其它基准站点的WGS- 84 坐标, 联测已知控制点, 解算转换数据并接收, 确定。

2.7 碎步测量

完成以上工作后, 即可将流动站置于地物地貌特征点上进行碎步测量, 每个碎步的测量时间2 ~3s。碎部点密度应满足相关规范要求。

2.8 内业数据处理与RTK数据下载

白天外业采集数据后, 晚上应及时将测得的数据进行内业处理。在笔记本电脑上用T rimb le Geomatics o ffice软件结合白天所画草图和预设编码进行内业成图。此工作必须当天完成, 以免事后遗忘,影响成图的准确性造成返工重测。为了实现RTK坐标数据与CASS4. 0展点数据格式统一, 需进行如下处理: 首先应用Trimble G eomatics o ffice软件进行输出数据格式的自定义, 具体格式是“点号,代码,东坐标,北坐标,高程”。然后用T rimble Geom aticsoffice软件实现与RTK 测量手簿的连接, 把数据下载到计算机内, 通过编辑将数据存为*.da t格式 ( CASS要求的数据格式), 实现RTK 数据和测图软件的数据格式统一, 为内业成图做好准备。

2.9 绘制地形图

打开CASS4. 0改变图式比例尺为所需比例尺,启用展点命令, 将上述数据文件名输入, 然后根据外业所绘草图, 人机交互编辑, 连线成图。将野外测点按CASS4. 0提供的图式符号库连线后对于一些与地形图规范要求有差别的地方须作编辑处理。

3 GPS RTK 测图的优点

1) 节约人力和财力。传统地形测量在控制测量时需耗费很多的人力和财力, 碎部点测量更是这样, 每组至少需要四人, 即便是全站仪测图, 每组也至少需要三人。GPS RTK 测图只需1~ 2人跑点采集数据、编码即可。

2) 速度快、效率高。GPS RTK 测图不受通视条件和视距限制, 省去了迁站时仪器搬动的烦恼, 扩大了作业半径, 节约了大量非测图时间, 作业人员可一心一意跑点、编码。条件允许时, 一个基准站可以测量5~ 8 km2 面积, 这是传统测图所无法相比地。

3) 精度高且精度分布均匀。传统地形测量从控制到碎部都有一定的误差积累, 特别到最弱点时点位误差积累比较大。GPS RTK 测图省去部分中间环节, 提高了测图精度, 其测图时碎部点的误差是随即产生的, 不会产生误差不均匀的情况。

4 GPS RTK 测图时应注意的几个问题

RTK 技术已广泛应用于平面位置的测量, 但在测高程方面的运用尚不成熟。作业时应注意以下问题:

1) 基准站及流动站仪器高要十分精确地量取(此处误差将会传递到每个碎部点上) , 这是影响RTK 精度的一个十分重要的因素。

2) 必须保证用来求转化参数的已知点具有准确的坐标成果, 尤其要注意高程精度。

3) 必须做到作业前、作业过程中、作业完成后到已知点上做比测, 以保证数据的准确性。

5 GPS结合测深仪的测量原理

GPS-RTK结合测深仪在水下地形测量定位点坐标与高程，直接在测深仪换能器的正上方安装GPS流动站天线，这样能够在测量过程中保证GPS测量的点位于测深仪测量的水下点位在同一铅垂线上。在测量过程中，对换能器底部坐标、高程用GPS测定时，定位点的水深能够通过测深仪测定出来，水下定位点的高程就是用GPS测量的高程与测深仪测量的水深之差，换能器的坐标也就是定位点的坐标。在RTK作业模式下GPS可以将待测点位的坐标高程实时获取到，定位精度可达到厘米级。目前10Hz为GPS输出的一般频率，而其高一般可达到20Hz，只在很小的程度撒花姑娘延迟了定位位移；通过软件来控制测深仪的定位时间与GPS的定位时间的延迟，控制GPS数据采集与测深仪测深的软件应该装在计算机上，从而使GPS数据采集与测深仪测深的同步能够得到控制。在测量过程中，测得的数据主要是通过计算机显示在计算机显示器上，采集数据的稀疏程度可以通过计算机来判别，并且导航还可以根据相应的软件来进行，从而使测量数据在测区范围内得以保障。

6测量仪器的配置

通过数据线将GPS-RTK流动站的接收机与测深仪连接起来，这主要是用于进行导航定位并实时采集测量点的三维坐标。为了平面定位和高程测量精度得以确保，GPS-RTK机型要选择性能好的双频接收机。

7 GPS结合测深仪实施水下地形测量

本工程采用两台Trimble RTK GPS流动站及一台Trimble RTKGPS基准站进行水上平面定位和水面高程测定，水深测量采用两台中海达测深仪进行，导航软件采用“Haida海洋测量软件28”。导航软件自动同步定位、导航和采集水深。为了消除计算机和GPS时钟误差，导航软件的定位、导航和采集水深的时间统一为GPS的时钟时间。流动站天线到水面高和天线偏差每天作业前均用小钢尺精确量取，并设定到导航软件(在测深仪计算机中)和RTK手簿中，同时岸上用全站仪测定水面高程，与导航软件测定的水面高和RTK测定的水面高进行比对，再用测尺测定水深，与测深仪测定的水深进行比对，所有比对结果一致后才开始作业。水下数据采集为每秒一组，然后内业进行数据筛选。为了保证水面高程测定的精度和可靠性，每天水下测量的同时在岸边进行全站仪直接验潮，在水下作业开始前10 min进行测定，时间间隔10 min，一直持续到水下作业结束后10 min。水下地形测量按断面法进行布线，断面间距100 m，断面与堤线连线垂直。计划测线覆盖整个测区。水下地形测量除按计划测线进行测量外，还在测区测量了约75 km的重合或相交测线进行水下高程比对，经检核重合区域的高程较差不大于±10 cm。水下地形测量数据采集的数据转换采用“Haida海洋测量软件28”转换成“南方CASS成图系统”软件的数据格式，与陆地地形合并，进行数字化成图。

8 测量注意事项

（1）在数据采集的时刻，要尽可能保持船体不要倾斜，如果船体倾斜，则会对测深仪的水深测量、GPS的定位位置与测深仪测量水下点位位置都产生偏差。在水流较缓的河流中，可以减慢船的行驶速度，可保持船体的水平；对于河流流速较大，则最好采用船体自身质量大的船只，也能较好的保持船体的水平。（2）在GPS流动站工作的开始与结束，都需要对已知点进行检校，保证测量数据的准确；在测深仪开始工作前后，也要对测深仪进行检校，保证水深测量正确性。（3）基准站架设位置要求位置较高，但不宜远离测区，并且卫星接收机上方应无遮挡，基准站远离高压电线与通讯塔，以保证船上的流动站能够实时得到固定解。（4）数据采集的过程中，只有在RTK为固定解时，并且测深仪数据显示正常的情况下，才能对数据进行存储。（5）要求准备充足的电瓶，在船上，测深仪、计算机都需要电源才能正常工作。

9 结束语

GPS-RTK技术的应用打破了传统的水下地形测量方法，不仅减少了外界因素对作业过程的过多干扰，而且降低外业数据采集的劳动强度和成本，提高了作业效率，更重要的是大幅提高了测量点位的精度，使得水下地形测量这项工程变得简单、方便、快捷、轻松、高效、经济，可以全天候的实施测量工作。随着科学技术的发展，GPS-RTK技术将会更加完善，给包括水下地形测量在内的各种工程项目带来更加美好的明天。

参考文献

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