RTK在水深测量中的应用
刘志华
摘 要：本文介绍了RTK技术在水深测量上的基本原理、基本作业步骤和影响水深测量精度的几种因素及相应对策。
关键词：RTK 水深测量 精度影响因素
RTK 定位技术简介
实时动态（ RTK） 定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术， 它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。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。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上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，从而减少冗余观测， 提高工作效率。它是GPS测量技术发展的一个新突破，在测绘、交通、能源、城市建设等领域有着广阔的应用前景。
RTK配合测深仪和相应的测量软件可以用于水深测量，以往的水深测量多采用交会定位，故测量工作受气象的影响较大，精度难以保证，测量工作难度大，外业测量人员也很艰苦，且成图时间长。使用GPS技术后，这些困扰水上测量工作的问题就迎刃而解了。随着GPS技术的不断发展，特别是RTK技术的出现，使得RTK无验潮水深测量成为可能。大大减少了测量人员的劳动强度，自动化程度高，省工省时，精度高，全天候，提高了工作效率，使工程变得更经济。
RTK无验潮水深测量的基本原理和优缺点
1、基本原理
RTK是现代DGPS测量模式的一种，当前RTK的定位精度普遍为：平面10mm+1ppm，高程20mm+1ppm， 其高程精度可用于实时潮位解算，从而实现无验潮水深测量。其水下地形测量的方法、原理与DGPS相同，唯有不同的是RTK能够在极短的时间内完成平面定位、实时潮位解算，通过计算机与测深仪同步采集数据，以达到水下地形三维坐标测量目的，实现无验潮水下地形测量。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，其基本原理如下：
如图所示：设h为 RTK天线到水面高度，Z0为测深仪换能器吃水深度，Z为换能器到水下地形表面测点的水深。Zm为绘图水深，H为RTK测得的天线位置高程，S为水位。则：
水位S=H-h
Zm=水面高-水位=（Z+Z0）–S =（Z+Z0）-（H-h）
当水面由于潮水或者波浪升高时，H增大，相应地Z也增加相同的值，根据上面公式Zm值将不受影响。因此从理论上讲，RTK无验潮测深将消除波浪和潮位的影响，是一种理想的水上测量方法。
2、RTK无验潮水下地形测量的优劣性
与传统的验潮法相比，无验潮水下地形测量具有如下优势：①无须验潮数据，减少工作量。验潮法需要专门的人员测量水位或者到相关部门获取测量时段的水位数据。无验潮法只需在采集水深的同时在同一台电脑上采集GPS三维数据，这样起码可以减少一个读水尺的工作人员，还不须建一个或多个验潮站。②每个水位都同步、精确，提高精度。GPS高程数据更新速度达10Hz，每个水深点都对应精确的水位值，无须内插或外推整个区域的水位。③减少浪涌等引起的误差。验潮法测量中由于浪涌影响，探头上下起伏使得测得的水深有瞬时误差，在最终的数据中无法消除。而无验潮法是通过GPS天线高程来推算水下高程的，天线与探头的相对位置固定，无论船怎样上下波动都不会改变处理后的水下高程。④数据处理方便、快捷。由于所有的数据都采集到一个文件中，并且存在计算机中，减少获取和编辑潮位数据的时间，即时能进行后处理，编辑水下地形图或断面图。
另一方面，相对而言无验潮水下地形测量的缺点是：必须用RTK型接收机，这种接收机价格相对高一些。利用无验潮技术进行水深测量，使得水深测量这项工程变得简单、方便、快捷、轻松、高效，所以不失为一种先进的测量技术，值得在航道水深测量乃至其它水下地形测量中推广。
RTK水深测量的基本作业步骤
根据多年的港口航道疏浚测量经验，水深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海洋测量软件等组成。测量作业分三步来进行，即测前的准备、外业的数据采集以及数据的后处理。
1、测前的准备
1.1 求RTK的转换参数
将GPS基准站架设在已知点A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。将GPS移动站架设在已知点B上，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，求得该点的固定解（84坐标）。通过A、B两点的84坐标及当地坐标，求得转换参数。
施工中所用转换参数都为七参数，这些参数全部体现在采集手簿上。校正参数是一个核心的内容，它是通过一个已知点来校正，求出WGS84坐标系统的坐标值与实际应用坐标值的三维差值，即△X、△Y、△H。校正参数从原理上说参考站每次开机都需要重新校正，如果参考站架设在同一地点，且每次开机发射的WGS84坐标都已经通过设置来固定，那么校正参数就不需要再重新求。
1.2 建立任务，作计划线
设置好坐标系、投影、一级变换及图定义。建立测量任务，作好计划线，在测区图幅上布设测量断面，也可以对原布设断面进行加密，使其达到《水运工程测量规范》对所测设的工程项目断面间距的要求。
2、外业的数据采集和后处理
设立基准点，求转换参数，外业施测前，需在基准点上架设基准站，保持基准站坐标不变。
将GPS接收机、数字化测深仪和便携电脑等连接好，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、天线偏差改正及延迟校正后，即可进行测量外业工作。
影响水深测量精度的几种因素及对策
在实际的使用无验潮方式进行水深测量时，扣除外在影响以及人为因素外对测量结果精度产量影响的因素主要有船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成的误差的影响，这些误差远远大于RTK定位误差，从而成为无验潮方式水深测量精度提高的瓶颈因素。
1、船体摇摆姿态的修正
船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数，通过专用的测量软件接入进行修正。
2、采样速率和延迟造成的误差
GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度，现在大多数RTK GPS都可以最高输出率达20HZ，而测深仪的输出速度各种品牌差别很大，数据输出的延迟也各不相同。因此，定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到，也可以采用以往的经验数据。
3、RTK高程可靠性的问题
RTK高程用于测量水深，其可信度问题是倍受关注的问题。在作业之前可以把使用RTK测量的水位与人工观测的水位进行比较，判断其可靠性，实践证明RTK高程是可靠的。为了确保作业无误，可从采集的数据中提取高程信息绘制水位曲线（由专用软件自动完成）。根据曲线的圆滑程度来分析RTK高程有没有产生个别跳点，然后使用圆滑修正的方法来改善个别错误的点。
结束语
利用RTK技术进行无验潮水深测量，可以有效减少潮位对测量成果的影响，非常适合潮位变化复杂、建立水位站困难的地方应用，可以大大提高工作效率及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。它可以极大地降低劳动作业强度，减少工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。在港口航道工程的相关工程陆域测量中，也可以直接运用RTK进行实地实时放样、点位测量、导线控制测量等。利用RTK技术进行水深测量，使得水深测量这项工作变得简单、方便、快捷、轻松、高效、经济。
参考文献：
[1]胡家明编译，水上测量新技术，人民交通出版社，北京，1984年11月。
[2]关子安，关栋材，水利工程测量，测绘出版社，北京，1993年11月。
（作者单位：长江南京航道工程局）
设立基准点，求转换参数，外业施测前，需在基准点上架设基准站，保持基准站坐标不变。
将GPS接收机、数字化测深仪和便携电脑等连接好，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、天线偏差改正及延迟校正后，即可进行测量外业工作。
影响水深测量精度的几种因素及对策
在实际的使用无验潮方式进行水深测量时，扣除外在影响以及人为因素外对测量结果精度产量影响的因素主要有船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成的误差的影响，这些误差远远大于RTK定位误差，从而成为无验潮方式水深测量精度提高的瓶颈因素。
1、船体摇摆姿态的修正
船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数，通过专用的测量软件接入进行修正。
2、采样速率和延迟造成的误差
GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度，现在大多数RTK GPS都可以最高输出率达20HZ，而测深仪的输出速度各种品牌差别很大，数据输出的延迟也各不相同。因此，定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到，也可以采用以往的经验数据。
3、RTK高程可靠性的问题
RTK高程用于测量水深，其可信度问题是倍受关注的问题。在作业之前可以把使用RTK测量的水位与人工观测的水位进行比较，判断其可靠性，实践证明RTK高程是可靠的。为了确保作业无误，可从采集的数据中提取高程信息绘制水位曲线（由专用软件自动完成）。根据曲线的圆滑程度来分析RTK高程有没有产生个别跳点，然后使用圆滑修正的方法来改善个别错误的点。
结束语
利用RTK技术进行无验潮水深测量，可以有效减少潮位对测量成果的影响，非常适合潮位变化复杂、建立水位站困难的地方应用，可以大大提高工作效率及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。它可以极大地降低劳动作业强度，减少工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。在港口航道工程的相关工程陆域测量中，也可以直接运用RTK进行实地实时放样、点位测量、导线控制测量等。利用RTK技术进行水深测量，使得水深测量这项工作变得简单、方便、快捷、轻松、高效、经济。
参考文献：
[1]胡家明编译，水上测量新技术，人民交通出版社，北京，1984年11月。
[2]关子安，关栋材，水利工程测量，测绘出版社，北京，1993年11月。
（作者单位：长江南京航道工程局）
设立基准点，求转换参数，外业施测前，需在基准点上架设基准站，保持基准站坐标不变。
将GPS接收机、数字化测深仪和便携电脑等连接好，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、天线偏差改正及延迟校正后，即可进行测量外业工作。
影响水深测量精度的几种因素及对策
在实际的使用无验潮方式进行水深测量时，扣除外在影响以及人为因素外对测量结果精度产量影响的因素主要有船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成的误差的影响，这些误差远远大于RTK定位误差，从而成为无验潮方式水深测量精度提高的瓶颈因素。
1、船体摇摆姿态的修正
船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数，通过专用的测量软件接入进行修正。
2、采样速率和延迟造成的误差
GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度，现在大多数RTK GPS都可以最高输出率达20HZ，而测深仪的输出速度各种品牌差别很大，数据输出的延迟也各不相同。因此，定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到，也可以采用以往的经验数据。
3、RTK高程可靠性的问题
RTK高程用于测量水深，其可信度问题是倍受关注的问题。在作业之前可以把使用RTK测量的水位与人工观测的水位进行比较，判断其可靠性，实践证明RTK高程是可靠的。为了确保作业无误，可从采集的数据中提取高程信息绘制水位曲线（由专用软件自动完成）。根据曲线的圆滑程度来分析RTK高程有没有产生个别跳点，然后使用圆滑修正的方法来改善个别错误的点。
结束语
利用RTK技术进行无验潮水深测量，可以有效减少潮位对测量成果的影响，非常适合潮位变化复杂、建立水位站困难的地方应用，可以大大提高工作效率及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。它可以极大地降低劳动作业强度，减少工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。在港口航道工程的相关工程陆域测量中，也可以直接运用RTK进行实地实时放样、点位测量、导线控制测量等。利用RTK技术进行水深测量，使得水深测量这项工作变得简单、方便、快捷、轻松、高效、经济。
参考文献：
[1]胡家明编译，水上测量新技术，人民交通出版社，北京，1984年11月。
[2]关子安，关栋材，水利工程测量，测绘出版社，北京，1993年11月。
（作者单位：长江南京航道工程局）
