GPS-RTK无验潮测量技术在菊花岛供水工程中的应用

2014-11-25 10:42:57    来源:中国地理信息产业协会

摘要:本文简要介绍了GPS-RTK无验潮测量技术的原理,总结了GPS-RTK无验潮测量技术的应用方法及该种技术相较于传统测量技术的优势与不足。


1. 引言

GPS-RTK与数字测深集成技术的发展,为实时获取水下三维信息和实现水下地形测绘自动化提供了条件。应用GPS-RTK与数字测深集成技术不但可以进行平面位置的精确定位,而且还可用来进行水面高程的实时确定。采用这种方法确定的水位基准高程精度较高,并较好的消除了波浪、水位涨落等因素对水底高程的影响,大大提高了工作效率,且自动化程度很高。

本次工程为菊花岛跨海供水管道工程,陆上入海点位于兴城市临海产业园,登陆点位于菊花岛金嘴子,海上管线路由长度约7公里,需要进行跨线区域内的海底地形测量。经分析探讨决定采用RTK无验潮测量技术直接测量海底地貌。


2. GPS-RTK数字测深集成技术的测量原理

GPS-RTK数字测深集成技术主要分为两大类:无验潮方式和验潮方式。验潮方式就是在测量船上由RTK实时测定平面位置,由测深仪同步测出此时的水深,再由岸上人员定期观察水位值,随后根据水位和水深的数据计算出每个测点的高程值。这种方式已经广泛应用于江河湖海水面的水深测量之中,并形成了成熟的操作模式。

无验潮方式就是在测量船上直接用RTK测出某点的三维坐标来,而不需要岸上人员观潮水位,减少了测量人员,提高了工效。它在水深测量中有着独特的优越性。其基本原理是利用RTK测得的GPS天线精确的三维坐标(X,Y,H),其中X、Y确定定位点的平面位置,RTK高程结合由测深仪同步测得的水深换算出同一平面位置上的水下泥面的高程或水深值,从而获得水下地形数据,见图1。

 

GPS-RTK无验潮测量技术在菊花岛供水工程中的应用
图1 数字测深原理


不论水面由于潮水或者波浪影响是升是降,式(1)中的 H 始终是某一时刻实测的水底地面高程,它只和RTK测量高程值 Ht 和测深值 h 有关。因此从理论上讲,GPS-RTK无验潮测深将消除波浪、潮位和动吃水的影响,是一种理想的水上测量方法。


3. 菊花岛供水工程中的海底地形测量

本次工程位于辽宁省兴城市至菊花岛海域。按照技术设计书要求,测量作业分三步来进行,即测前的准备、外业的数据采集测量作业和数据的后处理形成成果输出。


3.1测前准备

测前准备主要进行了下列工作:基础控制测量、仪器设备及成图软件准备及施测计划制定。


3.1.1基础控制测量

按照技术设计要求在兴城和菊花岛两侧海岸上各布设2个基础控制点,平面控制应用GPS施测,高程采用四等水准要求联测。

兴城位于我国大陆一侧,具有通过陆路联测国家高程基准的条件;菊花岛与兴城隔海相望(跨海宽度6km多),岛上没有国家高程基准的已知点。为了使海域两侧的高程贯通,结合目前的技术和项目的具体情况,我们采用GPS静态测量技术,直接测取海域两侧的大地高,通过似大地水准面精化(重力修正)技术,把兴城一侧的高程引导菊花岛一侧,跨海之间的控制点的高差误差控制在20cm之内。


3.1.2仪器设备及成图软件准备

作业采用的仪器设备软件有:南方测绘仪器公司生产的双频GPS-RTK灵锐S86接收机2台套,其中1台作为岸台(基准站),1台为船台(流动站),SDE-28D双频单波束数字化测深仪1台,便携式计算机1台,南方CASS6.0成图软件1套。

SDE-28D测深仪为南方测绘仪器公司生产,是集液晶显示器、工控板、测深板、数据处理器、机内存储单元、各种接口和输入输出设备于一体的工控型数字化测深仪。其主要性能指标见表1。


GPS-RTK无验潮测量技术在菊花岛供水工程中的应用

3.1.2施测计划制定


(1)制定导航方法,设置好坐标系、投影、转换参数及图定义。

(2)布设计划线:计划线方向垂直于等深线总体方向,计划线间隔30米、数量14条、测点间隔6米。

(3)检查线的布设:检查线的方向尽量与主测线垂直,分布均匀,能普遍检查主测深线,检查线的长度应占主测深线总长3%--10%。


3.2外业的数据采集

3.2.1 GPS-RTK基准站架设

(1)在已知GPS控制点上架设岸站,输入控制点坐标,设置基准站参数;

(2)设立岸台后,船台到附近的控制点进行检测,以确保岸台坐标和各项参数输入正确。检测结果符合要求后,方可进行GPS RTK数据采集工作;


3.2.2 船上设备安装

(1)换能器安装部位选择在中部船舷旁边,以减少行驶时船首推出的浪涌对探头的影响和干扰,换能器放入水中的深度在连接杆长度允许的深度前提下,尽可能放深一些,大致在0.5~1.2 m 范围内;

(2)测深杆一定要保持垂直, 要采取加固手段,防止探头松脱掉入水中或者电缆线不慎扯断;

(3)GPS天线安装在能换器安装杆的顶部。这样定位的坐标与测深的位置为同一位置。


3.2.2 外业数据采集


GPS-RTK无验潮测量技术在菊花岛供水工程中的应用

(1)将GPS接收机、换能器通过数据线与SDE-28D数字化测深仪相连;

(2)启动测深软件(图2),设置好测量参数、测深仪参数,开始测量;

(3)在测深仪工控电脑内部运行《自由行》软件(图3),正确设置好坐标系统参数;设置相关参数链接GPS接收机;设置测深仪参数;设置采集条件与采集方式;进行偏移设置、GPS天线高设置、存储设置;

(4)进入到测量状态,根据计划指导测量船的航行方向,并同步采集记录测量数据,这时《自由行》软件就会自动的按照指定的方式采集数据和存储数据(图4)。

 

3.3测量资料后处理

3.3.1动态吃水和测深仪改正

根据施测数据建立动态吃水改正数和测深仪改正数表,深度必须要覆盖测区的最大和最小水深。


3.3.2 原始采集水深取样

采集水深取样的目的一是修改有问题的原始测量水深值;二是按设定的取样方式和取样间隔,取出需要的坐标和水深数据。

执行采集水深取样,打开原始水深文件,出现水深水位线,根据测量实际情况对原始数据进行编辑,以进行各类改正并剔除粗差。


3.3.3异常水深数据的处理

通过吊测深锤施测,利用前后相关水深点的数据对比和测深记录图象做参考,来判断该数据是否异常,然后对其决定是否处理。相关的异常处理可参照以上方法进行处理,如水中漂浮物、鱼群等都可用这样的方法处理,这种方法直观、简单。


3.4 质量检查

3.4.1 定位检查

水深测量开始前,在高级控制点上对GPS RTK接收机进行了检验和比对。在平面精度与高程精度皆满足定位精度要求后,才开始进行测量。


3.4.2 水深检查

在测深工作前后,都利用比测板对测深仪测深数据进行比测工作,通过调整声速,以得到最佳测深效果。测量完成后,通过测深检查线进行检查,将测深检查线与主测深线相交处图上一定范围内水深点的深度进行比对,比对互差满足各项精度要求。本次工程检查水深差值基本小于0.1m。

 

3.5 水下地形图成图

水深数据处理结束后,进行数据的合并输出,利用南方CASS6.0成图软件进行水下地形图编辑。


3.6 作业时应注意的问题

3.6.1基础控制测量

布设基础控制点时要充分考虑到GPS-RTK的观测条件,选择地势高、较开阔、无电磁干扰的地点。


3.6.2水深测量

1.安装探头:在一般情况下,探头应吃水为50cm 以上,1~2 m浅水区可适当设吃水较浅一点。固定探头时应注意与平坦水底相垂直,保证在高船速时探头不出现大的松动,测深时应注意探头的保护,及时清理环绕在探头上面的塑料袋等杂物。

2.正式测深:打开测深软件,观察模拟图象,应为较清晰的波形断面图,如有多条或较杂乱,可适当调低增益,加大信号门槛;航速不能太快,控制在五节(约2.5 m/s)以下;测量时,应不时观察其数据是否跳动正常(包括定位和水深数据),在超过一定深度测量时(大于15 m),如报错太多,则需调大增益,加大发射功率和打开发射脉冲。


4.结束语

与传统的水下地形测量相比,GPS_RTK无验潮测量技术具有如下优势:

(1)操作方便、自动化,作业效率高。数字测深仪与GPS-RTK通过数据线相连接,测深、定位、采集潮位高同步进行,自动存储。因此在外业数据采集后,无须等待验潮资料即可及时进行自动化数据处理和成图,成果整理快捷。

(2)测量精度高,数据安全可靠,没有误差积累。一方面GPS高程数据更新速度达10Hz,每个水深点都对应精确的定位坐标和水位值,无须内插或外推整个区域的水位;另一方面该法是通过GPS高程来推算水下高程的,天线与探头的相对位置固定,有效消除涨落潮和波浪的影响。

另一方面,相对而言GPS-RTK无验潮测量的缺点是:

(1)受制于地理环境的影响。GPS差分信号在测量过程中起着至关重要的作用。由于地理因素的作用,如高山的遮挡、河流的转弯等,差分信号往往强度减弱或被中断。致使GPS接收机难以进入RTK工作模式。

(2)受制于基准站的影响。基准站点位的准确与否,及坐标转换参数是否正确求解对水位的确定与平面定位有着直接的影响。故应选择合适的GPS基准站址并提高GPS控制网精度.减少基线起算点的坐标误差对GPS高程的影响。

利用GPS-RTK无验潮测量技术进行水深测量,使得水深测量这项工程变得简单、方便、快捷、轻松、高效。它是彻底改变了以往的作业模式,是对传统测量方法的一次重大变革。


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[7]张发栋,虞祖培.GPS无验潮测深技术在水深测量中的应用[J].港工技术,2004,(2)

 

作者:许大力  辽宁省基础测绘院,辽宁 锦州,121003

 

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