RTK_在水下地形测量中的应用.doc

I 目目 录录 内容摘要内容摘要 II 引引 言言 III 第一章第一章 项目概况项目概况 1 第二章第二章 测量工作的基本步骤测量工作的基本步骤 2 2 1 求转换参数 2 2 2 建立任务 3 2 3 测深线的布设 3 2 4 外业的数据采集 3 2 5 数据的后处理 3 第三章第三章 传统水下地形测量技术传统水下地形测量技术 4 3 1 光学定位方法 4 3 2 深度测量方法 4 第四章第四章 现代水下地形测量技术现代水下地形测量技术 5 4 1 GPS 定位技术 5 4 2 测深仪工作原理及选择 5 4 3 GPS RTK 配合数字测深仪器组成水下地形测量系统 5 4 4 RTK 的原理介绍 6 4 5 RTK 采集数据时的几个关键技术 7 4 6 RTK 的应用范围 8 4 7 RTK 技术的不足及其应对措施 8 4 8 作业过程中需注意以下几点 9 4 9 RTK 的优点 11 第五章第五章 结束语结束语 13 参考文献参考文献 14 II 内容摘要内容摘要 本文详细介绍了利用 GPS RTK 技术与数字测深仪结合组成的水下地形测量系统的工作原理 简 单介绍了利用该系统作业时的外业数据采集 内业数据处理的过程 总结了应用该系统进行作业的 优 缺点及应对措施和在使用中应注意的事项 关键词关键词 GPS RTK 水下地形图测量 测深仪 水深测量 III 引引 言言 水下地形图是防洪 水资源保护 河道疏浚及水库 港口 码头 桥梁等工程建 设项目不可或缺的基础资料之一 水下地形测量主要包括定位和测深两大部分 传统的 水下地形图测量方法主要有采用经纬仪配合测距仪 经纬仪交会 全站仪获取水下地 形点的平面位置 然后利用测深杆法 测量锤法和回声测深仪法等获得该平面位置处的 水深 从而获得水下点的三维坐标 其中目前使用最多的是利用全站仪配合测深仪的方 法施测 上述传统方式不仅受仪器精度 距离 天气 通视及通讯等条件限制 而且工 作效率很低 尤其是断面水深测量 受水流 测量船体的非线性运动以及测量人员的熟 练 配合等因素的影响 断面点定位精度不高 这些因素都严重影响河道断面测量的质 量 近年来随着 GPS RTK 技术的成熟 GPS RTK 配合数字化测深仪测量水下地形图优势 明显 具有广阔的应用前景 本文就其基本原理 仪器设备及工程实践中的注意事项做 一简单阐述 并结合工程实例说明了该模式在实际应用中的可靠性 1 第一章第一章 项目概况项目概况 2005 年 4 月 我单位承接了厦深铁路漳州段九龙江特大桥 4567 米 经九龙江北 溪南港 北港两大库区水下地形测量的任务 交通不便 往来渔船频繁 受潮水影响 跨度较大等 工期时间要求紧 如用全站仪进行测量 在要求的工期内无法完成任务 因此 我们采用了更加符合此工程特点的 RTK 结合测深仪进行点位定位 用 3 天的时 间完成了所有水下地形测量的任务 2 第二章第二章 测量工作的基本步骤测量工作的基本步骤 水下地形测量的作业系统主要由 GPS 接收机 数字化测深仪 数据通信链和便携 式计算机及相关软件等组成 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 2 12 1 求转换参数求转换参数 2 1 1 将 GPS 基准站架设在一个在测区中部已知点上 设置好参考坐标系 投影 参数 差分电文数据格式 发射间隔及最大卫星使用数 关闭转换参数和七参数 输 入基准站坐标 该点的单点 84 坐标 后设置为基准站 2 1 2 将 GPS 移动站架设在测区内尽可能多的已知点 设置好参考坐标系 投影 参数 差分电文数据格式 接收间隔 关闭转换参数和七参数后 求得已知点的固定 解 84 坐标 2 1 3 通过上述已知点的 84 坐标及当地坐标 求得转换参数 3 2 22 2 建立任务建立任务 设置好坐标系 投影 一级变换及图定义 2 32 3 测深线的布设测深线的布设 主测深线的布设应垂直等深线的总方向 测深线间隔的确定应顾及库区的重要性 河底地貌特征和水深等因素 检查线的方向应尽量与主测深线垂直 分布均匀 出测 前应该将测深线预先导入导航软件中 采集水深数据作业时 应该严格按照计划进行 2 42 4 外业的数据采集外业的数据采集 2 1 4 1 架设基准站在求转换参数时架设的基准点上 且坐标不变 2 1 4 2 将 GPS 接收机 数字化测深仪和便携机等连接好后 打开电源 设置好 记录设置 定位仪和测深仪接口 接受机数据格式 测深仪配置 就可以进行测量工 作了 作业前须测量部分重合区域作为检查 确保采集的各项数据准确可靠 在所有的 数据都采集完毕后 检测若干检查线作为检核 2 52 5 数据的后处理数据的后处理 表表 2 12 1 部分数据文本部分数据文本 X 坐标 Y 坐标 水面高程 m 水深 m 端口 数据后处理是指利用相应配套的数据处理软件 如 CASS6 0 软件 对测量数据 见 表 2 1 进行后期处理 形成所需要的测量成果 水深图及其统计分析报告等 所 有测量成果可以通过打印机或绘图机输出 4 第三章第三章 传统水下地形测量技术传统水下地形测量技术 水下地形测量最基本的工作是定位和测深 定位工作是水下地形测量的基础 3 13 1 光学定位方法光学定位方法 在视距可及的范围内 一般小于 10 km 可采用光学定位 定位使用的仪器有经 纬仪 六分仪 测距仪 定位方法可使用前方交会法 后方交会法 侧方交会法 水 下地形测量采用光学定位方法进行定位的原理和计算与陆地测量一致 采用光学定位 方法的优点是操作简单 使用方便 比较经济 缺点是作用距离短 后方交会需要在 陆地设置至少 3 个测量标志 前方交会需要测量船和 2 个陆地测站之间进行通讯联系 由于是对运动的载体进行定位 定位精度不及陆地测量精度高 读数也容易出错 3 23 2 深度测量方法深度测量方法 水下地形测量技术的发展与测深手段的不断完善紧密相关 在发明回声测深仪以 前 只能靠测深杆和测深锤测量水深 精度差 效率低 20 世纪 20 年代出现的回声 测深仪 是利用水声换能器垂直向下发射声波并接收水底回波 根据回波时间来确定 被测点的水深 当测量船在水上航行时 测深仪可测得一条水深线 通过水深的变化 可以了解水下地形地貌的情况 回声测深仪的出现 可以说是水深测量技术的一次飞 跃 其优点是快速 并且可以得到连续的记录 有了回声测深仪才有了今天意义上的 海图 传统测深仪的一个主要缺点就是它们都是单波束的 每发射一次声波只能得到 测量船正下方一点的水深 因而只能实现线测量 无法反映测线之间的地形地貌情况 测线之间的水深通常采取内插的方法得到 如果测线之间存在特殊地形等 就会给水 下的地形带来重在的误差 70 年代中期出现了多通道测深仪 典型的多通道测深仪为通常所说的四波束测深 仪 使得回声测深仪在水下地形探测方面发挥了更大的作用 多通道测深仪使用了 多个换能器 每个换能器只能发射和接收 1 个波束 多个换能器按一定的间距安装 同时测深 形成多条平行测深线 使用多通道测深仪可以进行全覆盖测量 但存在效 5 率低 分辨率低 4 个独立波束的定位困难 对自然条件要求高的缺点 第四章第四章 现代水下地形测量技术现代水下地形测量技术 4 14 1 GPSGPS 定位技术定位技术 GPS 即全球定位系统 Global Positioning System 基本原理是卫星不间断地发 送自身的星历参数和时间信息 用户接收到这些信息后 利用测距后方交会原理 计算出 接收机的三维坐标 运动速度和时间等信息 从而进行定位和导航的作用 目前 GPS 系 统提供的定位精度优于 10 m 为了得到更高的定位精度 通常采用差分 GPS 技术 将 1 台 GPS 接收机安置在基准站上进行观测 根据基准站已知精密坐标 计算出基准站到卫 星的距离改正数 并由基准站实时将这一数据发送出去 用户接收机在进行 GPS 观测的 同时 也接收到基准站发出的改正数 并对其定位结果进行改正 从而提高定位精度 差 分 GPS 主要分为 2 大类 伪距差分和载波相位差分 后者的定位精度较高 可达厘米级 通 常用于高精度的测量工程和研究中 GPS 卫星发射 2 种频率的载波信号 即频率为 1 575 42MHz 的 L1 载波和频率为 1 227 60 HMz 的 L2 载波 这 2 个载波上调制有测 距码 伪随机噪声码 导航信息等 GPS 接收机按接受的载波频率可分为单频和双频 单频接收机只能接收 L1 载波信号 双频接收机可以同时接收 L1 L2 载波信号 利用 双频对电离层延迟的不一样 后者可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响 而且通过 在 2 个频率上观测可以加速整周模糊度的解算 4 24 2 测深仪工作原理及选择测深仪工作原理及选择 测深仪是一种单波束测深设备 工作原理是利用换能器在水中发出声波 当声波遇 到障碍物而反射回换能器时 根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度 就可 以求得障碍物与换能器之间的距离 按照使用声波频率的个数 可分为单频和双频 单 频测深仪仅用于一般的水深测量 双频测深仪可以同时测量淤泥表面深度和积岩深度 从而获得淤泥厚度 故后者还可以用于淤泥土方计算 6 4 34 3 GPSGPS RTKRTK 配合数字测深仪器组成水下地形测量系统配合数字测深仪器组成水下地形测量系统 GPS RTK 配合数字测深仪器组成水下地形测量系统 RTK 的工作原理是将一台接收机 置于基准站上 另一台或几台接收机置于载体 称为流动站 上 基准站和流动站同时接 收同一时间 同一 GPS 卫星发射的信号 基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比 较 得到 GPS 差分改正值 然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫 星的流动站精化其 GPS 观测值 从而得到经差分改正后流动站较准确的三维坐标 目前 RTK 在半径 5 km 左右的范围内平面测量精度一般在 2 cm 左右 可以采用该技术替代全 站仪等设备获取水下点的平面位置数据 再利用数字测深仪获取该位置处的水深 K 为 测深仪探头吃水线到 GPS 天线的高度 即天线高 h 为测得的水深 H0 为 RTK 测得 GPS 天线的高程 H 为水下地形点高程 则 H H0 K h 因测深仪探头固定在 测量船上 当水面由于潮水或者波浪升高或者降低时时 H0 增大或者减小 相应地 h 也增加或者减少相同的值 而且 RTK 解决了平面定位和水深测量同步的问题 因此 从理论上讲 RTK 无验潮测深消除了波浪和潮位的影响 是一种理想的水上测量方法 4 44 4 RTKRTK 的原理介绍的原理介绍 随着全球定位系统 GPS 技术的快速发展 RTK Real Time Kinematic 测量技 术也日益成熟 实时动态 Real Time Kinematic RTK 测量系统 是 GPS 测量技术 与数据传输技术的结合 是 GPS 测量技术中的一个新突破 RTK 测量技术是以载波相 位观测量为根据的实时差分 GPS 测量技术 其基本思想是 在基准站上设置 1 台 GPS 接收机 对所有可见 GPS 卫星进行连续地观测 并将其观测数据通过无线电传输设备 实时地发送给用户观测站 在用户站上 GPS 接收机在接收 GPS 卫星信号的同时 通 过无线电接收设备 接收基准站传输的观测数据 然后根据相对定位原理 实时地解 算整周模糊度未知数并计算显示用户站的三维坐标及其精度 通过实时计算的定位结 果 便可监测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况 实时地判定解 算结果是否成功 从而减少冗余观测量 缩短观测时间 RTK 定位原理如图所示 7 RTK 测量系统一般由以下三部分组成 GPS 接收设备 数据传输设备 软件系统 数据传输系统由基准站的发射电台与流动站的接收电台组成 它是实现实时动态测量 的关键设备 软件系统具有能够实时解算出流动站的三维坐标的功能 RTK 测量技术除具有 GPS 测量的优点外 同时具有观测时间短 能实现坐标实时 解算的优点 因此可以提高生产效率 实时动态定位如采用快速静态测量模式 在 5 km 范围内 其定位精度可达 1 2 cm 可用于水下的控制测量 RTK 测量系统的开发 成功 为 GPS 测量工作的可靠性和高效率提供了保障 这对 GPS 测量技术的发展和普 及 具有重要的现实意义 4 54 5 RTKRTK 采集数据时的几个关键技术采集数据时的几个关键技术 RTK 涉及载波相位模糊度的求解 评定 RTK 采集数据质量的好坏取决于三个主要 因素 精度 可靠性及求得固定解的时间 根据使用 RTK 技术的经验 采集时有以下几个技术问题应注意 4 5 1RTK 初始化 在开始 RTK 测量时 需首先在某一起始点上 静止地观测几分钟 进行初始化工 作 有条件的话 应尽量复测已测过的几个点 以便检查初始化 基准站和流动站接 受机的参数设置的正确性 因为当把接受机的数据传输到计算机中并进行数据处理时 接受机中的参数很容易人为地改变 而野外测量时又很难知道实时测量结果是否正确 8 4 5 2 卫星信号失锁 在观测过程中 要保持对观测卫星的连续跟踪 一旦发生失锁 必须重新进行初 始化 在卫星失锁的地方 静止地观测几分钟 完成初始化后 尽量回到附近测过的 点上复测该点 以便检查接受机卫星信号的稳定性 动态测量可靠性检查 在测量结束前 应在已测过的一个地物点上进行快速静态测量 要求 RTK 接受机 在该点上静止地观测几分钟 在观测过程中 连同接受到的基准站的同步观测数据 实时地解算整周未知数和测量点的三维坐标 然后与动态测量结果相比较 因为与动 态测量相比 静态测量的稳定性和精度都要高 这样又进一步检查了动态测量的结果 4 64 6 RTKRTK 的应用范围的应用范围 在目前条件下 流动站距基准站的距离一般不超过 15km 但是随着数据传输设备 性能和可靠性的不断完善和提高 数据处理软件功能的增强 这个距离将会不断地扩 大 4 74 7 RTKRTK 技术的不足及其应对措施技术的不足及其应对措施 4 7 1 受卫星状况限制 当卫星系统位置对美国境内是最佳的时候 世界上有些 国家在某一确定的时间段不能很好地被卫星所覆盖 容易产生假值 另外 在高山峡 谷深处及密集森林区 城市高楼密布区 卫星信号被遮挡的时间较长 使一天中可用 于作业的时间受到限制 产生假值问题采用 RTK 测量成果的质量控制方法可以发现 作业时间受限制可通过选择作业时间来解决 4 7 2 天空环境影响 白天中午前后 由于受到电离层的干扰比较大 功用卫星 数较少 RTK 系统经常接收不到 5 颗卫星 因而初始化时间长 甚至不能初始化 也就 无法进行测量 4 7 3 数据链传输受干扰和限制 作业半径比标称距离小的问题 RTK 数据链传输 易受到障碍物如高大山体 高大建筑物和各种高频信号源的干扰 在传输过程中衰减 严重 严重影响作业精度和作业半径 在地形起伏 高差较大的山区和城镇密楼区数 9 据链传输信号受到限制 另外 当 RTK 作业半径超过一定距离 一般为几公里 每种 机型在不同的环境又各不相同 时 测量结果误差就会超限 所以 RTK 的实际作业有 效半径比其标称半径要小很多 工程实践和专门研究都证明了这一点 解决这类问题 的有效办法是把基准站布设在测区中央的最高点上 4 7 4 初始化能力和所需时间问题 在山区 一般林区 城镇密楼区等地作业时 GPS 卫星信号被阻挡机会较多 容易造成失锁 采用 RTK 作业时有时需要经常重新初始 化 这样测量的精度和效率都会受影响 解决这类问题的办法主要是选用初始化能力 强 所需时间短的 RTK 机型 4 7 5 高程异常问题 RTK 作业模式要求高程的转换必须精确 但我国现有的高程 异常模型在有些地区 尤其是山区 存在较大误差 在有些地区还是空白 这就使得 将 GPS 大地高程转换至正常高系统的工作变得相当困难 精度也不均匀 4 7 6 电量不足问题 RTK 耗电量较大 需要大容量电池 电瓶才能保证连续作业 在电力供应缺乏的偏远作业区受到限制较大 4 7 7 精度和稳定性问题 RTK 测量的精度和稳定性都不及全站仪 特别是在稳定 性方面 这是由于 RTK 较容易受卫星状况 天气状况 数据链传输状况影响的缘故 不同质量的 RTK 系统 其精度和稳定性差别较大 要解决此类问题 首先就是要选用 精度和稳定性能够都较好的高质量机种 然后 要在布设控制点时要多布设一些 多 余 控制点 作为 RTK 测量成果质量控制的检核点 4 84 8 作业过程中需注意以下几点作业过程中需注意以下几点 4 8 1 平高控制点选点应该注意 GPS 测量对测站的要求 如测站四周视野开阔 高 度角 15 以上不允许有存在成片的障碍物 远离大功率发射源 高压线 变压器等 减 少信号的干扰 测站远离房屋围墙等放射物 以减少多路径效应 测站应位于地质条件好 点位稳定 易于保存的地方 同时顾及施测的便利 尽可能利用原有的标石观测墩 降低 成本等 4 8 1 根据规范要求确定地形点采集的密度 按照水下地形测量规范 布设一系列 间距为 15 m 平行测线 沿测线方向的测点密度为 离水边 30 m 以内 每 3 m 5 m 测一 点 30 m 以外每 5 m 8 m 测一点 在水下地形变化剧烈 库尾及近坝区域 测线 测点 密度要相应的增加 以便较真实地反映水下地形变化情况 10 4 8 3 作业前后的定位检查和测深仪测深检查 每次作业前 或作业结束时 将 流动站流动至已知点 或检查点 上 记录下该已知点 或检查点 的坐标和高程 并与 该点已知坐标和高程比较 差值符合规定要求后再作业 确保测深点定位的准确性 同 样每次作业前 或作业结束时 对使用的测深仪通过专门的测深仪校准板进行测深检 查校正 特别注意测程的问题 有些测深仪器在不同深度范围的设置是需要修改的 否则 将获得错误的水深数据 所以作业时必须有一个人一直注意测深仪 发现异常 立刻停止 作业 进行设置修改后再继续工作 4 8 4 在有风浪的情况下 测船会前后左右摇摆 从而导致 GPS 天线 换能器和测 深仪不在一条垂线上 从而影响定位和定深精度 为有效减少风浪对测量精度的影响 必须弄清楚在测船具有多大的晃动情况下时必须终止测量 根据经验一般情况下在浪 高 1 m 的情况下应该停止作业 无风的日子是水下地形图测量的最佳时间 这时船的摇 晃是最小的 另外如果是测量河底的地形图还应该考虑河水的流速问题 一般的测深仪 在流速较快的情况下将显示出错误的水深数据 应该稍加注意 4 8 5 测船速度的确定 测船航速的确定是一个重要的问题 航速过快 会造成点 位坐标精度急剧下降 从而影响水下地形测绘的精度 而航速过慢 又会迅速增加数据 造成数据处理的复杂性 而且还会贻误工期 造成人力 物力和财力的浪费 对航速的 确定 须综合多方面的因素进行考虑 包括 RTK 仪器的采样频率 测深仪测深数据的延 时问题以及水流的速度等 4 8 6 基准站 4 8 6 1 因为 RTK 技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术 RTK 定位时要 求基准站接收机实时地把观测数据 伪距观测值 相位观测值 及已知数据传输给流 动站接收机 所以 a 电台天线要尽量高 如果距离较远 则要使用高增益天线 否则 将影响到作业距离 b 电源电量要充足 否则也将影响到作业距离 4 8 6 2 设站时要限制最大卫星使用数 一般为 8 颗 如果太多 则影响作业距 离 太少 则影响 RTK 初始化 4 8 6 3 如果不是使用七参数 则在设置基准站时要使 Transform ToWGS84 转换 到 WGS84 坐标系 处于 off 关闭 状态 4 8 6 4 如果使用七参数 则 X Y Z 都小于 100 较好 否则重求 4 8 6 5 在求转换参数前 要使参数转换和七参数关闭 11 4 8 6 6 在 RTK 作业模式下 基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起 传送给流动站 流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据 还要采集 GPS 观测数 据 并在系统内组成差分观测值进行实时处理 同时给出厘米级定位结果 历时不到 一秒钟 基准站和移动站必须要保持四颗以上相同卫星相位观测值的跟踪和必要的几 何图形 则流动站可随时给出厘米级定位结果 所以有时偶尔 RTK 没有固定解也是很 正常的 4 8 7 流动站 4 8 7 1 解的模式要使用 RTK Extrap 外推 模式 4 8 7 2 数据链接受间隔要与基准站设置的发射间隔一致 都要为 1 4 8 7 3 如果使用海洋测量软件导航 定位 则 a 记录限制要为 RTK 固定解 b 高 程改正要在天线高里去改正 4 8 7 4 差分天线要尽可能的高 4 8 8 求转换参数求转换参数的已知点要尽可能的多 分布均匀 并且能覆盖整个 测区 4 94 9 RTKRTK 的优点的优点 4 9 1 作业效率高 在一般的地形条件下 高质量的 RTK 设站一次即可测完 5km 半径内测区的点位测 量 大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的 搬站 次数 只需一人操 作 在一般的电磁波环境下几秒钟即可获得一组移动站的坐标 作业速度快 劳动强 度低 节省了外业费用 提高了劳动效率 4 9 2 定位精度高 数据安全可靠 没有误差积累 只要满足 RTK 的基本工作条件 在一定的作业半径范围内 一般为 5km RTK 的 平面精度和高程精度都能达到厘米级 完全可以满足一般工程测量的精度 4 9 3 降低了作业条件要求 RTK 技术不要求两点满足光学通视 只要求满足 电磁波通视 因此 和传统测 量相比 RTK 技术受通视条件 能见度 气候 季节等因素的影响和限制较小 在传统 测量看来由于地形复杂 地物障碍而造成的困难通视地区 只要满足 RTK 的基本工作 条件 它也能轻松地进行快速的高精度定位作业 使测量工作变得更轻松 更容易 12 4 9 4RTK 作业自动化 集成化程度高 测绘功能强大 RTK 可胜任各种地形地籍测量的内 外业或工程放样工作 移动站利用其控制器内 装备的软件控制系统 无须人工干预便可自动实现多种测绘功能 使辅助测量工作极 大减少 减少人为误差 保证