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水下地形测量包括2部分:定位和水深测量。就目前的水下地形测量的主流技术而言,定位采用的是GPS卫星定位法,而水深测量采用的是回声测深仪的方法。本文结合某桥梁工程测量的实践,阐述GPS RTK技术应用于大范围水下地形测量的基本原理、作业流程和技术要求。
RTK技术基本原理:在RTK作业模式下,基准站和流动站保持同时跟踪至少5颗以上的卫星,基准站通过数据链将其观测值和已知信息一起传送给流动站;流动站将自己采集的GPS观测数据和通过数据链接收来自基准站的数据,在系统内组成差分观测方程并进行实时处理,在运动中求解起始相位模糊度值,同时通过输入相应的坐标转换参数,实时得到测点的三维坐标及精度。
1 RTK水下地形测量的作业流程
1.1 收集测区的已知控制点资料进入测区前首先收集测区的控制点资料,包括控制点的坐标、等级、坐标系统参数等,调查了解控制点周围地形和环境是否符合RTK基准站的设置要求。根据测区大小、已知点密度及其分布情况,决定是否需要进行控制点加密工作。
1.2确定测区的转换参数GPS测量是在WGS-84坐标系中进行的,而工程项目一般采用北京54坐标(或西安80坐标)或当地坐标,两者之间存在坐标转换问题。这里采用经典的坐标转换Bursa(布尔萨)七参数转换模型。
实际工作中,在测区布设三等GPS控制网和四等水准网,沿河道防洪大堤均匀布设18个GPS控制点(平面和高程)和长达40 km的四等水准线路。同岸相邻两GPS控制点的间距约为5 km。在确定转换参数时,有以下2点:1)已知点在测区两岸均匀分布,以有效控制测区;2)为了提高精度,此项目选用3个以上的控制点,利用最小二乘法求解转换参数,通过多个点的匹配方案,选择残差较少、精度较高的1组参数为最终启用参数。
1.3 基准站的选定原则基准站的安置是顺利实施RTK作业的关键之一。基准站安置应满足以下条件:1)基准站设在有精确坐标的已知点上;2)基准站安置应选择地势较高、无遮挡、电台有良好覆盖域的地方;3)为防止数据链的丢失和多路径效应,基准站周围应无GPS信号反射物,200 m范围内无高压电线、电视台、无线电发射台等干扰源。
1.4 RTK施测步骤
步骤1,基站和流动站的设置。首先在已知点上设置GPS基准站,打开接收机,输入点号、天线高、WGS-84已知坐标,启动基准站,发射RTK信号。设置电台的通道和灵敏度,检查电台发射指示灯是否正常。然后启动GPS流动站,首先进行系统设置,输入转换参数,选择与基准站电台相匹配的电台频率,检查电台接收指示灯是否正常,检查接收卫星颗数(≥4颗)。先检测1～2个已知控制点,评定测量精度。
步骤2,测深仪的检测。用检查板在测区内进行测深仪声速测定,利用测定的声速在不同水深处进行实际水深与测深仪测深值的比较。准确无误后,校正测深仪的声速,保证水深值的正确性。测深完成后用同样的方法进行检查。确认无误后,安装测深装置,连接计算机接口,即可开始正式采集同步的三维数据。
步骤3,外业测量。水下地形点采用“Trimble 5700 GPS接收机RTK方式 中海达海洋测量软件及电子数字测深仪”自动采集水下地形点的平面坐标及高程。在测船上将测深仪、GPS(流动站)分别与便携机通过传输电缆相连接,使用便携机内导航软件保证测船在预定计划线上行驶,并实时传输RTK作业数据,使用测深仪数据与GPS同步自动记录。
1.5 内业处理外业结束后,利用中海达随机配套软件对测量数据进行后处理,形成所需要的测量结果。GPS接收机本身所测水面地形点坐标(x,y,H),其中x、y为北京54坐标(x为北坐标,y为东坐标,H为GPS天线几何中心高程)。因为是平面坐标,GPS所测得的水面点x和y坐标即为水下地形点的平面坐标x′和y′,水下地形点的高程H′=H-h-Zc(Zc为天线至水面的距离,h为测深仪所测水深),就得到水下地形点的三维坐标(x′,y′,H′),最后将坐标文件导入绘图软件(如cass7.0)中,根据水底高程,绘制等深线。
2 精度分析
水下地形测量的精度包括平面的定位精度和水下地形点的高程测量精度。不考虑起始点误差的影响,测量精度主要取决于以下3个方面。1)高程转换精度:采用Bursa转换模型,转换精度可达到(2～3)cm。2)测量精度:Trimble5700RTK平面精度可达1 cm,高程精度可达2 cm。ODOM单频测深仪精度为±1 cm±1‰水深。3)其他因素的影响:主要是风浪引起测船的起伏和摇摆的影响。由于GPS天线与测深仪换能器之间联杆的长度为一固定值,因此测深船的垂直起伏不会给水下地形测量的精度带来影响;但测深船的摇摆会引起GPS天线与测深仪换能器之间联杆的倾斜。
3 结束语
GPS RTK测量技术各观测值都是独立观测,能达到厘米级的定位精度,既可以实时提供点位坐标和高程,又可实时知道测量点位精度,极大地提高工作效率。
全球定位系统能较好地完成大面积水域地形测量。特别是在因气候条件差,常规测量仪器难于完成的作业区域,可以充分发挥RTK快速和高精度定位的优势,来提高测量精度,减轻测量人员的内、外业劳动强度。■
(作者单位:郑州工业贸易学校)
RTK技术基本原理:在RTK作业模式下,基准站和流动站保持同时跟踪至少5颗以上的卫星,基准站通过数据链将其观测值和已知信息一起传送给流动站;流动站将自己采集的GPS观测数据和通过数据链接收来自基准站的数据,在系统内组成差分观测方程并进行实时处理,在运动中求解起始相位模糊度值,同时通过输入相应的坐标转换参数,实时得到测点的三维坐标及精度。
1 RTK水下地形测量的作业流程
1.1 收集测区的已知控制点资料进入测区前首先收集测区的控制点资料,包括控制点的坐标、等级、坐标系统参数等,调查了解控制点周围地形和环境是否符合RTK基准站的设置要求。根据测区大小、已知点密度及其分布情况,决定是否需要进行控制点加密工作。
1.2确定测区的转换参数GPS测量是在WGS-84坐标系中进行的,而工程项目一般采用北京54坐标(或西安80坐标)或当地坐标,两者之间存在坐标转换问题。这里采用经典的坐标转换Bursa(布尔萨)七参数转换模型。
实际工作中,在测区布设三等GPS控制网和四等水准网,沿河道防洪大堤均匀布设18个GPS控制点(平面和高程)和长达40 km的四等水准线路。同岸相邻两GPS控制点的间距约为5 km。在确定转换参数时,有以下2点:1)已知点在测区两岸均匀分布,以有效控制测区;2)为了提高精度,此项目选用3个以上的控制点,利用最小二乘法求解转换参数,通过多个点的匹配方案,选择残差较少、精度较高的1组参数为最终启用参数。
1.3 基准站的选定原则基准站的安置是顺利实施RTK作业的关键之一。基准站安置应满足以下条件:1)基准站设在有精确坐标的已知点上;2)基准站安置应选择地势较高、无遮挡、电台有良好覆盖域的地方;3)为防止数据链的丢失和多路径效应,基准站周围应无GPS信号反射物,200 m范围内无高压电线、电视台、无线电发射台等干扰源。
1.4 RTK施测步骤
步骤1,基站和流动站的设置。首先在已知点上设置GPS基准站,打开接收机,输入点号、天线高、WGS-84已知坐标,启动基准站,发射RTK信号。设置电台的通道和灵敏度,检查电台发射指示灯是否正常。然后启动GPS流动站,首先进行系统设置,输入转换参数,选择与基准站电台相匹配的电台频率,检查电台接收指示灯是否正常,检查接收卫星颗数(≥4颗)。先检测1～2个已知控制点,评定测量精度。
步骤2,测深仪的检测。用检查板在测区内进行测深仪声速测定,利用测定的声速在不同水深处进行实际水深与测深仪测深值的比较。准确无误后,校正测深仪的声速,保证水深值的正确性。测深完成后用同样的方法进行检查。确认无误后,安装测深装置,连接计算机接口,即可开始正式采集同步的三维数据。
步骤3,外业测量。水下地形点采用“Trimble 5700 GPS接收机RTK方式 中海达海洋测量软件及电子数字测深仪”自动采集水下地形点的平面坐标及高程。在测船上将测深仪、GPS(流动站)分别与便携机通过传输电缆相连接,使用便携机内导航软件保证测船在预定计划线上行驶,并实时传输RTK作业数据,使用测深仪数据与GPS同步自动记录。
1.5 内业处理外业结束后,利用中海达随机配套软件对测量数据进行后处理,形成所需要的测量结果。GPS接收机本身所测水面地形点坐标(x,y,H),其中x、y为北京54坐标(x为北坐标,y为东坐标,H为GPS天线几何中心高程)。因为是平面坐标,GPS所测得的水面点x和y坐标即为水下地形点的平面坐标x′和y′,水下地形点的高程H′=H-h-Zc(Zc为天线至水面的距离,h为测深仪所测水深),就得到水下地形点的三维坐标(x′,y′,H′),最后将坐标文件导入绘图软件(如cass7.0)中,根据水底高程,绘制等深线。
2 精度分析
水下地形测量的精度包括平面的定位精度和水下地形点的高程测量精度。不考虑起始点误差的影响,测量精度主要取决于以下3个方面。1)高程转换精度:采用Bursa转换模型,转换精度可达到(2～3)cm。2)测量精度:Trimble5700RTK平面精度可达1 cm,高程精度可达2 cm。ODOM单频测深仪精度为±1 cm±1‰水深。3)其他因素的影响:主要是风浪引起测船的起伏和摇摆的影响。由于GPS天线与测深仪换能器之间联杆的长度为一固定值,因此测深船的垂直起伏不会给水下地形测量的精度带来影响;但测深船的摇摆会引起GPS天线与测深仪换能器之间联杆的倾斜。
3 结束语
GPS RTK测量技术各观测值都是独立观测,能达到厘米级的定位精度,既可以实时提供点位坐标和高程,又可实时知道测量点位精度,极大地提高工作效率。
全球定位系统能较好地完成大面积水域地形测量。特别是在因气候条件差,常规测量仪器难于完成的作业区域,可以充分发挥RTK快速和高精度定位的优势,来提高测量精度,减轻测量人员的内、外业劳动强度。■
(作者单位:郑州工业贸易学校)