利用GNSS-RTK对舟山桃花岛滩涂高精度测量应用

张炜，郑红

摘 要：GNSS-RTK技术已经融入海洋测绘体系中，成为海岸地形测量的常规技术，其测量精度高，操作简单，便捷实用。本文主要内容是利用GNSS-RTK技术测量舟山桃花岛塔湾金沙景区沙滩滩面宽度，长度和潮间带坡度计算以及坡面图的绘制，同时在GNSS-RTK测量值内业计算上，运用拉依达法则剔除粗大误差，提高测量精度，以此为海岸地形测量发展提供实验支撑。

关键词：海洋测绘;GNSS-RTK;滩涂测量;坡面图;坡度

中图分类号：P229            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）12-0042-03

海洋测绘[1]作为测绘学的分支，主要的研究对象是占地球总面积的71%的海洋区域以及在陆地上的水域部分为研究目标，其主要的研究项目为海洋及大陆的水域的地理空间位置，以及随着时间的推移，各项地理参数的变化。海洋测量技术在近十多年有了显著的提高，在新的海洋测绘体系中，融合和吸收了大量的其他相关学科的理论和技术，如航空航天技术，通信技术、计算机技术，天文学、海洋学等等，不同学科的相互作用与促进，产生了更为先进的海洋测量技术。

随着海洋技术的不断发展，GNSS技术[2，3]已经广泛应用于海洋测量中，GNSS-RTK是一种崭新的技术，它给海岸地形测量作业方法带来质的变化，特别是在大面积滩涂不方便建立控制的区域更具有优越性，它对海洋测量的自动化有着重要的作用。

本文提出基于GNSS-RTK技术在沿海区域测量上的研究，GNSS技术是具备快捷的定位速度，全天候作业，实时性和作业模式便捷等长处。该技术应用领域已经在大陆广泛使用，根据全球卫星导航系统定位技术的研究趋势，测量精度一直在提高，目前的精度可达厘米级，在沿海以及近海测量的作业也越来越通畅。本文以舟山桃花岛塔湾金沙景区为例，基于GNSS-RTK技术对沙相的长宽度测量，以及潮间带区域的坡面图绘制和坡度计算的应用。在外出作业时可以明显感觉到GNSS-RTK测量的便捷性和实时性以及稳定性。因此利用GNSS-RTK技术测量沿岸滩涂地形能够为高精度滩涂地形测量提供实验支撑。

1 原理方法

1.1GNSS-RTK基本原理

RTK技术指的是GNSS技术中的利用载波相位观测测量，基于差分定位技术的一种新型技术，目前，RTK技术测量的精度可达厘米级，现如今采用的RTK技术的主要有GNSS-RTK和GPS-RTK，两者的区别在于卫星信号的不同。原理如图1所示，首先需在合适的位置上放置基准站（网络RTK无需自己设置基站，本文采用网络RTK），移动流动站的位置根据实际测量需要移动，通过在基准站已知点的坐标关系，通过基准站与流动站距离的差分（L3）来解算流动站三维坐标。利用基准站与流动站同步观测的原理，来消弱具有相关性的误差。

图1  GNSS-RTK工作原理图

1.2测量值内误差处理方法

在GNSS-RTK测量值内业计算上，由于在实际作业中对每个点需进行多次测量，故采用拉依达法则[4]剔除粗大误差对数据进行处理。

首先将测量数据以平面直角坐标形式导出，求得每组数据的x方向、y方向和H方向的平均值，以及残余误差v，i为第i个单点，为某点的第i个历元的观测值，n为一个测量点的观测次数。

（1）

根据中误差的贝塞尔公式：

（2）

m是中误差，由于工程测量规范的规定，内精度的误差拥有一个极限值，这个限值值称为极限误差。通常我们以三倍中误差作为这个限值，公式如下：

（3）

根据实际测量需求的不同，精度要求较高时，也可采取2倍中误差作为极限误差。本文仍采用三倍极限误差为标准。在测量工作中，当出现的误差超过极限误差，就可以将它当作是粗差，应将其剔除，再将符合内精度要求的观测值取平均作为测量点。

2 作业区概况以及作业准备

作业区位于舟山桃花岛，测量区域是塔湾金沙景区，作业内容是：对这块区域进行长宽度的测量、潮间带的坡面图绘制以及坡度的计算。

主要设备仪器是华测公司的GNSS-RTK定位设备，以及计算机来做内业计算。另外设置手薄坐标系参数，本次实验采用CGCS2000坐标系，中央经线定位122.5度。GNSS-RTK工作模式为网络RTK技术中的CORS工作模式，测量时对每个测量点观测次数为100次。

3 区域测量[5]

根据拉依达法则，需对每个点的观测数据进行粗大误差排除，故下图2为塔湾金沙景区沙滩测量并经過数据处理符合内精度要求的35个测量点（导入到谷歌卫星地图中），测量点以圆点表示。

将所有测量数据导入到ArcGIS[6，7]中，由图2可知，所测量的点大致分为三大类：第一类为植被点数据，即最靠近沙滩的植被为测量点;第二类为高潮位点，即以当时的海浪的高潮时刻为测量点，在找寻点时可以海浪冲刷在沙滩的残留物为判断依据;第三类为低潮位点，即以海浪的低潮时刻为测量点，在寻找点时可以查询潮汐网站来判断最低潮时刻。经过计算，图形左侧边界点与植被点的连线长度约为1195.16m，图形上侧植被点与低潮位点的连线长度为732.39m，图形右侧两个低潮位点间的连线长度为1418.69m，图形下侧低潮位点与边界点的连线长度为32.81m。四条连线勾勒出闭合沙相区域，完成沙相长宽度测量要求，并且可以利用ArcGIS进一步求取沙相区域面积，本文未计算。

利用高潮位点和低潮位点的测量数据，通过克里金差值方法，差值出潮间带的坡面图如图3所示。图中各类颜色代表着不同的大地高，从图2，图3中可知，有四组高潮位点与低潮位点的联测，联测点的连线应尽量海浪线相垂直。联测点间长度从图形中从上往下依次为68.49m、69.13m、63.81m和83.95m。从图3中可以看出测量出数据的四条直线所在的坡面坡度都比较接近，由此选取其中一对数据来计算坡度如图所示，两点之间的高度差是两点的大地高差等于2.42m，两点的直线距离就是两个坐标的经纬度之间的距离，直线距离为69.13m。如图4，因此坡度约为1：28.57。

4 测量点误差分析

将该区域测量点观测值误差依据拉依达法则（三倍极限误差[8，9]）并通过Matlab计算分析[10，11]，分析结果如下表1。沙相35个测量点中有9个测量值平面点出现粗大误差，12个测量值高程点出现粗大误差，舍去这些粗大误差点，再取该测量点剩余观测值做平均，得到最终测量值。目的是减少由于人工操作不当造成的误差，提高测量精度。

表1 测量点误差分析

5 结论

本文介绍了GNSS-RTK的基本原理，以及基于RTK技术中的CORS作业方式，因其测量精度高，便捷，为现代测量技术的主流方法。本文通过GNSS-RTK技术在舟山桃花岛滩涂高精度测量应用的实验，为海洋滩涂测量技术发展做实验支撑。在滩涂测量中，利用GNSS-RTK的测量点数据可以模拟出待测区的三维坡面图以及在实际应用中对沙相坡度值点的选取都进行了分析。本实验不足之处在于测量点数据的不足导致三维坡面图的精度下降，经考虑可以通过乘坐气垫船的方法在低潮位点测量来增加测量点数据，提高插值精度以及作业效率。

参考文献：

[1]周立.海洋测量学[M].北京：科学出版社，2013

[2]张东明，邓军.GNSS定位测量技术[M].武汉：武汉理工大学出版社，2016

[3]  Scott Gleason，Demoz Gebre-Egziabher.GNSS Applications and Methods[M].北京：电子工业出版社，2011

[4] 程苇航，郑红.舟山长峙岛千寻CORS系统定位精度验证[J].中国水运，2018，18（3）239-240

[5] 韩月娇.GPS RTK在测量中的应用[J].中国新技术新产品，2017，（10）：68-69

[6] 欧阳霞辉.ArcGIS地理信息系统大全[M].北京：科学出版社，2010

[7] 牟乃夏.ArcGIS 10地理信息系统教程-从初学到精通[M].北京：测绘出版社，2012

[8] 李青岳，陈永奇.工程测量学[M].北京：测绘出版社，1997

[9] 王洪章.工程测量[M].北京：人民交通出版社，2008

[10] 扬启和，赵琪.商斯一克吕格投影混合坐标变换模型研究[M].解放軍测绘学院学报.1999;16（2）：145-148

[11] 周建兴.MATLAB从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2012.06