基于GPS RTK技术在河道测量中的有关问题探讨
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摘要：文章简述了GPS RTK技术的基本原理，然后根据作者自己的实践，提出了河道测量实施中需注意的几个关键问题，并对有关的难点提出了解决办法。
关键词：GPS；RTK；河道测量；水下地形；三角网法
中图分类号：P228.4 文献标识码：A
1 引言
社会主义经济建设的发展使河道、水库、海洋等水域开发任务越来越多。河道的疏浚、水上交通运输、大桥的选址、水电站建设以及水库的设计等等，都需要对河道进行全方位的测量。随着科学技术的迅猛的发展，特别是GPS（全球定位系统）技术，因其具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性等优点，在近几年获得了飞速的发展。GPS技术不但为测量事业的发展开拓了新的局面，而且被广泛应用于国民经济建设和科学技术的诸多领域。本文中，作者就针对GPS RTK技术在河道测量中有关关键技术做一阐述。
2 GPS RTK技术
高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK（Real - time kinematic，实时动态差分法）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，历时不足一秒钟。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整周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，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。
GPS rtk技术是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。
河道测量的最重要的目的就是要获得河道水下地形，为实现这一目标，必须测量出河道水下一定数量的具有三维坐标的水下地形点，通过这些水下地形点，生成水下地形图。那么，如何得到这些水底点的三维坐标呢？当前一般采用的是用GPS加测深仪的方法，亦即用 GPS RTK技术获得点的平面位置，用测深仪测得水深，然后求得点的三维坐标点。在实施河道测量时，有以下三方面的问题需要加以注意：
3.1 确定航线与GPS采样率
为了测得河道沿线一定数量的具有三维坐标的水下地形点，使得成图的方便, 这些水下地形点最好要分布均匀。由此，就要进行航线设计与GPS采样率的确定。进行航线设计是确定航线间隔，确定GPS的采样率则是确定同一航线上两采样点间的间隔。航线间隔一般取 (M 为成图比例尺分母)，而GPS的采样一般取(M 为成图比例尺分母，为测船速度，以m/s为单位)。
3.2 GPS和测深仪保持同步
在河道测量采点过程中，必须严格做到GPS与测深仪的同步测量。如果GPS和测深仪采点时不同步，点的平面位置就和测深值无法对应起来，所测的数据就全部无法使用。同时，GPS差分站接收基准站信号的延时以及测深仪采集的数据由模拟信号转化为数字信号所带来的延时都必须加以考虑。
3.3 保证测深精度
当前，国产测深仪的标称精度大致为所测实际水深的1 %左右，而且由于仪器本身性能不稳定，在水底深度变化剧烈时会出现测深延时，这样的仪器精度是无法满足某些高精度的测量需求的。同时，在外业作业过程中，测深仪的换能器都是固连在测船上的，当测船倾斜时，测深仪的换能器也随之倾斜，可以算出，当测船倾斜角为50时，对10 m水深，测深仪所测得的水深由于测船倾斜所造成的误差为±0.38 m 。由此可见，测船倾斜对测深的影响还是比较大的，解决的方法是将测船与测深仪的换能器用活动的装置连结，当测船倾斜时，测深仪的换能器仍然保持竖直。当然，影响测深精度的原因还有很多，目前由于GPS RTK技术的发展，进行水域测量时，平面位置的精度能够达到要求， 困难的是如何进一步提高测深的精度。
4 测量成果的处理与分析
4.1 测量数据的预处理
测量数据的预处理包括测点粗差检验、测点编辑、数据的潮汐改正等。野外实测所采集的平面点位和水深实际是分离的，因而测点粗差检验分为平面点位的粗差检验和水深的粗差检验。由于数据采集时没有多余观测，所以测点粗差检验比较困难。由于测点都位于一条一条的航线上，对于那些明显偏离航线的点，可认为它们存在平面点位的粗差。水深的粗差检验的判别相对而言要复杂一点，方法是将同一测线上的点以断面的形式显示出来，那些明显的尖点或跳跃点可认为存在水深的粗差。如果野外数据点存在平面点位戴水深的粗差，就要进行删除。测点编辑的功能就是对测点进行适当的调整，使测区范围内的点分布均匀，便于处理。由于潮汐的影响，使水面的水位动态的变化。这样，测深仪所测的原始水深是对应于不同的水位的，在数据处理时，应通过潮汐改正的方法将所测的水深归算到同一水位面，只有这样，后面的处理工作才可以进行。
4.2 断面图的绘制
如果野外实测了断面，则断面图依据实测的断面数据进行绘制，如果野外没有实测断面，则通过野外实测数据点构造出三角形网，通过三角形网内插出所需的断面。注意：在野外实测断面时，数据的采样间隔应变小，亦即数据点加密，最好还要进行往返观测，以提高所绘断面的质量。
4.3 等深线图绘制
目前，三角形网的构网算法已日趋成熟，成为绘制等深线的一种主要方法。其主要原因是三角网法直接利用原始的离散点构网，不需变成规则的格网点，而且利用三角网法绘制的等深线具有自由边界。
在三角形网中进行了等深线的追踪之后，即对所追踪的点中的尖点进行处理，然后要对等深线进行平滑处理。等深线的平滑有多种方法，目前用得较多的是实用三次样条插值函数法。
在利用实用三次样条插值函数法进行等深线插值平滑时，传统的方法没有考虑追踪的相邻等值点之间的距离，而是在两点之间再增加固定数目的点。而实际上通过三角形网所追踪的等值点，其相邻点间的距离是不等的，如果在两相邻之间增加固定数目的点，则可能造成同一条等深线上增加后的等值点分布不均匀，直接影响等深线的质量。
基于这样的考虑，我们提出将初绘的等深线和三角形网进行叠加，找到等深线不好的地方所对应的三角形网点，依据该点周围点的测深值，对该点进行删除或者对该点的测深值进行改变，当所有有明显问题的地方都处理完之后，然后重新构网，重新生成等深线。实践证明，进行局部的测点调整后所生成的等深线质量大为提高，等深线编辑的工作量显著减少。
5 结语
河道测量是目前水利工程测绘研究的一个重要领域，其中存在仪器、技术等各方面的难点，有待我们进一步研究。目前，面扫描式的多波束测深在国内也有了一定的应用，可以预见，在未来的时期内，随着人们对河道等水域测量重要性认识的进一步加强，河道测量将从仪器、技术等各方面得到迅速发展。
参考文献
[1] 刘基余, 李征航, 王跃虎等. 全球定位系统原理及其应用. 北京: 测绘出版社,1999.
[2] 赵建虎, 周丰年, 张红梅. 船载GPS水位测量方法研究. 测绘通报,2001.8(增):1~3.
[3] 贺志岗. GPS在水下地形测量中的应用.长江工程职业学院学报,2005,(3):21~22.