GPS-RTK技术在水库水下地形图测绘中的应用探究

时间：2024-05-18

薛晖，张策

薛晖，张策

（山西华纬测绘有限公司，山西运城 044300）

摘要：由于科技水平的不断提高，GPS技术得到快速发展，并应用于多个领域之中。以水库水下地形图测绘中的应用为例，对GPS-RTK技术的有效应用进行详细的研究，此次研究明确了GPS-RTK的重要性，从而为水库水下地形图测绘工作的有效开展提供保障。

GPS-RTK技术；水库水利图测绘；应用优势；高程

在水利工程中，水下地形测绘工作的顺利开展具有重要的作用，GPS-RTK技术在该工程中应用，不仅能够使工程的精准度和质量得到显著提升，而且使操作的过程中更加便捷，因此，需要对其在水下测绘中的应用进行详细的研究。此次研究对丰富水库水下地形图测绘中GPS-RTK应用方面的知识具有理论性意义。

1 GPS-RTK技术的阐述

1.1 基本工作原理

GPS的基本工作原理为在定位卫星高速运转的基础上，将已知的瞬间位置当成起算数据，从而形成的GPS全球定位系统，利用空间距离来对测量位置进行有效的确定，该种方法不仅速度较快，而且准确性也相对较高。在动态测量以及静态测量中，利用GPS全球定位系统来进行有效的定位，之后对复杂的数据进行有效运算，从而得到必要的结果。但是在野外实时测绘中应用时，会受到一定因素的限制，因此，在野外想要获取厘米级定位结果时，需要将RTK定位测量技术应用其中。RTK定位技术以载波相位观测为原理，该技术想要得到有效应用，需要使流动站和基准站保持四颗卫星跟踪，之后利用基准站，将已知信息和观测数据一起传送到流动站之中，GPS观测数据和链接数据能够组成差分方程，从而有效保障信息处理的及时性。

1.2 RTK工作优势

RTK工作优势主要体现在以下几方面：①无须在观测点间进行通视，测量界的难点之一就是观测点间进行通视，但是将GPS技术引入其中，可以使该难点得到有效解决，在空间方面，无须进行通视，从而使选点的自由度得到有效保障，但同时需要对其进行必要的注意，为了使GPS卫星信号被干扰的现象得到有效避免，要使测量上空的宽阔度得到有效保障；②气候对观测不会产生影响，并且时间较短，当基线处于20 km之内，只需5 min就能完成快速定位；③能够实现三维坐标显示，GPS测量不仅能够使观测点的平面位置被有效获取，而且能够对观测位置的大地高程进行精准的获取，从而以三维坐标的形式来进行呈现；④操作具有明显的便利性，GPS测量技术的自动化程度较高，在运行开始之前，相关工作人员需要对相关仪器进行开关、监视等操作，可以将复杂跟踪作业步骤省略。

2 GPS-RTK技术在水库水下地形图测绘中的应用优势

2.1 工作效率显著提升

将RTK技术应用于水库水下地形图测绘之中，能使工作效率显著提升，有效缩减测量工作的流程，整个流程中都能实现一体化作业，一个工作人员就能完成水下地形测绘检测站中的所有操作，显著降低劳动强度的同时，使工作速度得到显著提高，为技术行业的快速发展起到正向促进作用。

2.2 使测量数据的精准度显著提升

将RTK技术进行有效应用，不仅能够使地形图的测绘比例达到将近1∶500，而且能够使高程的精度要求得到满足。除此之外，在测量的过程中会出现一定的误差，但是误差以均匀分布的状态呈现，从而使误差积累问题无法形成，使RTK测量的基本目标能够有效实现，即平均精度、高程精度等都能够以均匀状态作用的形式存在。

3 水库水下地形测绘作业的流程

3.1 设置控制网

从控制网的角度来讲，其网形设计具有灵活性的特点，不仅常规测量中无须对其提出相关的要求，而且观测点之间无须进行通视，但还是需要满足一些特殊的规定。在控制网设置过程中，虽然地面图形等因素对测量不会产生有效的影响，但是还需要对点位对应的图形结构进行充分考量。在控制网进行大范围设置时，需要将逐步推进法引入其中，当图形结构的考量中缺乏充分性时，控制网在内插点之后会出现严重扭曲的现象，导致网形结构不牢固，平差结果不理想。

3.2 RTK差分定位

有效应用RTK差分技术，对探测仪的三维坐标进行精准获取，尤其在比例较大的工程中RTK差分技术的优势更加凸显。在水库水下地形测绘工程中，流动站和基准发射台两者之间的数据传输系统需要保持合理化的初始化前提，这样在高质量数据传输过程中，能够使计算时间有效降低，从而使其工作效率得到显著提升。除此之外，在基准站必要条件得到满足的前提下，进行RTK的有效运转，需要在没有遮挡、电台信号较好、地势较高的地方进行基准站的安装，同时，需要在具有精确坐标的已知点中进行必要的安装。

3.3 回声探测仪探测

对水深度进行测量的仪器主要有单波束测深仪、多波束测深仪、回声测深仪等，本文以单波束测深仪为例，对其进行详细阐述。单波束测深仪的测深过程：采用换能器垂直向下发射短脉冲声波，当这个脉冲声波遇到海底时发生反射，反射回波返回声纳，并被换能器接收，其水深值由声波在海底间的双程旅行时间和水介质的平均声速确定。其特点是波束垂直向下发射，接收反射回波，声波旅行中没有折射现象或折射现象可忽略不计，回波信号检测方法只需使用振幅检测法即可，单波束测深过程采取单点连续的测量方法，其测深数据分布特点是沿航迹分布，数据十分密集，而在测线间没有数据。在数据处理成图过程中，为解决测深数据分布不均问题，均采用数据网格化内插的方法来预测测线间数据空白区的水深变化情况和趋势。数据处理的缺陷是无法探测到尺度小于测线间的微地形，通过网格化内插不仅会产生假地形，而且也会使测线上已经探测到的小尺度微地形通过内插平滑而歪曲、夸大或抑制。

3.4 高程异常

通常情况下，高程指的是大地高，测量中使用的高程为正常高，两者之间存在一定的差异性，因此，在实际使用的过程中，需要将大地高转换成正常高，两者之间的差为高程异常。高程转换通常用以下方式来完成：①基于重力场模型。高程异常是重力模型中的重要参数之一，对其进行合理的应用，将点位信息当成重要的依据，能够对点位高程异常进行有效的求取，当数据的基数足够大时，能够使精准的高程异常得以确定。②数学模型拟合。当正常高是已知量的水准点时，在正常点确定的过程中，需要将水准联测的方式引入其中，利用公式来对其进行有效的计算，从而来确定高程异常。在建立和使用数学函数模型的基础上，对水准面高进行合理的模拟，并且对内插法进行有效使用，从而来对高程异常进行有效确定，由于数学模型之间存在一定的差异性，从而使得方法也存在较大的差异性，如二次曲面拟合法、加权平均法等。③联合平差法。当对某水库地下水域进行观测时，如果观测数据之间存在较大的差异，需要使用整体平差模型，并且利用联合平差对数据进行处理，从而获得正常高程，该方法虽然优势相对比较明显，但是区域大小会对其精准度产生直接的影响，因此，需要对数据密度优化、数据分布优化等进行重点关注。④平差转换法。由于部分点之间存在三维坐标，将坐标转换基本原理当成重要的依据，来对椭球面参数与大地水准面相互转换参数进行有效的确定，与此同时，在平差计算中有效代入，在三维约束作用下，对未知点对应的正常高数值进行有效的确定。