(四川省岷江水文水資源勘測局，四川 眉山，620020)

1 概述

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System-GPS)是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資數百億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。GPS以其全天候、高精度、自動化、高效率等特點，成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航、地殼運動監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等方面。GPS系統(tǒng)主要由空間部分(GPS衛(wèi)星星座)、地面控制部分(地面監(jiān)控系統(tǒng))、用戶設備部分(GPS信號接收機)三部分組成，三者具有獨立的功能和作用，又有機地配合在一起彼此不可分割。GPS系統(tǒng)主要有定位精度高、觀測時間短、測站間無需通視、可提供三維坐標、操作簡便、全天候作業(yè)、功能多、應用廣泛等特點。

近年來，GPS定位技術在基礎研究、科學實驗、硬件與軟件開發(fā)、推廣應用等方面獲得迅速發(fā)展，取得了令人矚目的成就，標志著對測量工程技術的重大突破和深刻改革，對測量科學和技術的發(fā)展具有劃時代的意義。

2 RTK技術的基本原理及組成

實時動態(tài)(Real Time Kinematic)測量技術，是全球衛(wèi)星導航定位技術與數據通信技術相結合的載波相位實時動態(tài)差分定位技術，是測量技術發(fā)展中的一個重大突破。其基本原理是，在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并將其觀測數據通過無線電傳輸設備(數據鏈)實時地發(fā)送給用戶觀測站。在用戶站上，GPS接收機在接收GPS衛(wèi)星信號的同時，通過無線電接收設備，接收基準站傳輸的觀測數據；然后根據相對定位的原理，在系統(tǒng)內組成差分觀測值進行實時處理；再經過坐標轉換和投影改正，實時地計算并顯示移動站的三維坐標；并提供測站點指定坐標系中的三維定位結果，精度可達到厘米級。

RTK測量系統(tǒng)由基準站、流動站及通訊系統(tǒng)三部分組成?；鶞收景℅PS接收機、GPS天線、無線電通訊發(fā)射設備、電源、基準站控制器等；流動站包括GPS接收機、GPS天線、電源、無線電通訊接收設備及流動站顯示控制等。

圖1 RTK測量原理

3 RTK測量儀器介紹

西昌邛海庫容測量，由中海達V30GNSSRTK測量系統(tǒng)和HD-310全數字單頻測深儀組成。

中海達V30接收機，它采用天寶BD970多星多系統(tǒng)內核，內置收發(fā)一體電臺，基準站與移動站能完全互換，超長距離外掛電臺，支持全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的一個或多個系統(tǒng)進行導航定位。RTK定位精度，平面：±10mm+1ppm，高程：±20mm+1ppm；初始化時間小于10s，單個基準站作業(yè)半徑可達10km～20km。

HD-310全數字單頻測深儀，工作頻率200kHz，最大發(fā)射功率500W，測深范圍0.3m～600m，水深最大采樣速率每秒鐘30次，測深精度±10mm+0.1%h，分辨率1cm。

4 RTK在邛海庫容測量中的應用

水下測量與陸上測量不同，看不見水下地形的起伏，不能像陸上測量那樣可以選擇地形特征點進行測繪。傳統(tǒng)的水庫庫容測量方式采用斷面法，計算某一高程下的斷面面積，再計算兩個斷面之間的體積，體積的累加就是要測的庫容，目前國內大多數水庫測量仍采用這種方法。傳統(tǒng)的測量儀器有經緯儀、水準儀、激光測距儀、全站儀等，由于水上無法建立控制點，船只必須在岸上測量儀器的指導下才能獲得均勻的測點。當水域面積很大、通視條件差、水庫植被較好時，采用傳統(tǒng)儀器測量船只定位非常困難，測量難度也大，同時布設斷面標志、基線標志等需要花費大量的人力、物力。

采用GPS實時載波相位差分RTK測量，則可以克服以上幾個方面的困難。RTK測量可以采用斷面法，也可以采用地形法測量，其工作方式為：利用庫區(qū)的平面和高程控制網，規(guī)劃好RTK測量基準站的位置，保證測量區(qū)域或斷面測量區(qū)域與基準站距離在15km以內，在地形圖上規(guī)劃好測量斷面的位置坐標，用GPS實時動態(tài)RTK測量，獲取三維坐標。RTK測量改變了原來盲目測點的作業(yè)模式，大大提高了水下測量的精度。

4.1 作業(yè)準備

為保證測量工作的順利進行，提高工作效率和測量精度，首先是建立基準點。點位的選擇應考慮：儀器設備安裝方便，視野開闊；點位周圍不應有障礙物，以減小GPS信號被遮擋或被障礙物吸收；點位應遠離大功率無線發(fā)射源(如電視臺、微波站等)，其距離不小于200m；遠離高壓輸電線，以避免電磁場對GPS信號的干擾；點位附近不應有強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體等。本次邛海庫容測量基站設在四周空曠、視野開闊、無其它因素影響的地方，GPS信號發(fā)射接收正常。

4.2 坐標轉換

正確處理和轉換坐標參數確保測量成果精度。GPS定位是在WGS-84橢球參照系下進行的，而1954北京坐標系是基于克拉索夫斯基橢球參照系，兩橢球之間的系統(tǒng)參數不同，必須進行坐標轉換。由于地面國家控制網誤差的影響，各地區(qū)的轉換參數不太一致，因此測量前必須利用高等級控制點求得準確的轉換參數，以使差分測量成果轉換為1954北京坐標系下的坐標。作業(yè)開始時，在邛海附近選取3個己知坐標控制點，用快速靜態(tài)方式獲得WGS-84坐標，對其進行了坐標轉換并對已知點進行了校核，同時測量結束時又對其進行校核，以證明已知點成果的可靠性及所求坐標轉換參數的準確無誤。

4.3 水下測量

在進行測量時，要保證基準站和移動站各項參數設置的正確性，特別要注意平滑精度，天線高度、無線電臺的設置，各種數據線連接是否正確；回聲測深儀要根據水域的物理特性，正確設置好吃水深度、水溫、聲速及串口的波特率等參數。同時，把控制點的點號和坐標以及規(guī)劃好的斷面線端點點號和坐標值輸入移動站的手簿和計算機中，根據實際情況設置好數據采集頻次；確保信息準確無誤后方可開機測量。

本次邛海測量采用中海達V30型接收機進行RTK作業(yè)，HD-301全數字單頻測深儀、便攜式計算機共同組成測量系統(tǒng)。GPS接收機接收衛(wèi)星定位信息和基準站傳來的信息，并將差分解算后的精確坐標實時記錄在計算機內。回聲測深系統(tǒng)通過計算機實時觀察水深和河底的變化情況，自動測深并顯示數據記錄。同時，計算機通過外接導航顯示器實時提供導航信息，以保證駕駛人員能夠在計算機顯示屏上看到航跡，并嚴格按照預定的斷面線行駛。由于回聲測深系統(tǒng)和GPS接收機都外接計算機實時輸出水深數據和定位數據，因此在設置時要注意計算機、回聲測深儀及GPS接收機通信暢通，以保證計算機在軟件的支持下能同時記錄數據，使測深和導航同步進行。

4.4 數據處理

測量結束后，對觀測采集的水深數據進行水位改正、聲速改正和動態(tài)吃水改正，以滿足成圖的要求。通過專用軟件對采集的數據進行檢查、修改、矢量化，轉換成分析計算的數據格式，如AutoCAD(*.dxf)格式、Excel(*.csv)格式、CASS(*.dat)格式或自定義格式等，以方便后期的分析、計算、繪圖等工作。

圖2 邛海斷面布設示意

4.5 測量中的注意事項

4.5.1 在測量過程中，移動站和基準站應跟蹤到相同的衛(wèi)星必須4顆以上，移動站要保持RTK的固定解，不能出現浮動；要注意測量時間段的選擇，綜合考慮星歷、天氣等因素對RTK作業(yè)的影響，精度過低無法工作。

4.5.2 要注意基準站與移動站之間的通訊距離。為了避免不必要的頻繁搬遷基站,應加大基站電臺發(fā)射功率或升高電臺天線的高度。

4.5.3 在RTK測量過程中,有時會出現在某個區(qū)域或某個時間段內,解算時間較長，甚至無法獲取固定解或數據鏈不穩(wěn)定情況。原因可能是，周圍存在建筑物的遮擋或外界無線電干擾，遇此需要重新選點，避開其因素影響。筆者曾在離高壓輸電線不遠的地方建立基準站和移動站的數據鏈，始終出現RTK信號無法固定的情況，避開高壓線一定距離后，問題解決，RTK通訊正常。

4.5.4 應注意基準和移動站的電源，出現指示燈慢速閃爍時就更換電源，保證電源電量。

5 庫容計算與模型的選取

目前，水庫庫容的計算方法多種多樣，如斷面法、等高線容積法、方格網法、三角網格法等，各種方法計算原理有一定的差異和適用條件，各有優(yōu)缺點。斷面法，是一種常規(guī)的計算方法，應用比較廣泛，但有一定的局限性，主要適用于典型的河槽式河流。等高線容積法，計算模型建立在把水體按不同高程面微分成n層梯形體，整體庫容由n層梯形體體積積分求得。方格網法，是利用巳建立的庫區(qū)數字高程模型，將水體微分成若干個正方體，通過對每個正方體的體積空間積分，即可求得整個水庫庫容。

本次邛海庫容計算采用三角網格法。采用DTM法(數字地面模型)，根據實際庫底特征將水體微分成n個三棱錐體，根據實地測定的點坐標(X，Y，Z)和水面高程，通過生成三角網來計算每一個三棱錐的方量，通過對每個柱體的體積求和，即求得水庫庫容。

6 結語

GPS實時動態(tài)RTK測量技術在各領域運用越來越廣泛，在西昌邛海庫容測量中，與常規(guī)方法相比，其測量精度、測量效率均得到大幅度的提高，減輕了工作量和勞動強度，節(jié)約了測量成本。采用RTK技術測量，實現了水庫測量的自動化、數字化，使以前受測量儀器限制、環(huán)境因素影響等復雜的測量工作變得簡單化，對水下測量來說是革命性的變化，也是一次飛躍。

〔1〕李明峰,馮寶紅,劉三枝.GPS定位技術及其應用.北京:國防工業(yè)出版社,2006.

〔2〕林祚頂.水文現代化與水文新技術.北京:中國水利水電出版社,2009.

〔3〕謝悅波.水信息技術.北京:中國水利水電出版社,2009.

〔4〕中海達V30 GNSSRTK系統(tǒng)使用說明書.廣州市中海達測繪儀器有限公司.