RTK结合测深仪在罗定市水库水下地形测量中的应用

2023-10-13曾彪

地下水 2023年5期

曾彪

(惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司,广东惠州 516000)

0 引言

传统的水下地形测量方法存在一些局限性,限制了测量的准确性和效率。其中包括:传统测深方法的不准确性、数据获取困难、数据处理繁琐。因此,需要寻找一种准确、高效的水下地形测量方法来克服传统方法的局限性,提高测量的精度和效率。结合RTK技术和测深仪的应用能够有效解决这些问题,并为水下地形测量带来新的可能性[1]。

1 RTK和测深仪的原理与特点

1.1 RTK技术的基本原理和工作方式

RTK(Real-Time Kinematic)技术是一种实时动态差分定位技术,利用全球定位系统(GPS)或全球导航卫星系统(GNSS)获取高精度的位置信息。其基本原理是通过同时观测接收基准站和移动站接收的卫星信号,并通过差分计算来消除大气延迟、接收机钟差和卫星轨道误差等因素的影响,从而提供具有厘米级甚至毫米级精度的实时位置解算[2]。

RTK技术的工作方式包括基准站和移动接收机两部分。基准站通过接收来自卫星的信号并进行测量,将测量结果传输给移动接收机。移动接收机同时接收来自卫星的信号和基准站传输的数据,通过差分计算得到高精度的位置解算结果。RTK技术具有实时性和高精度的特点,适用于需要高精度定位的测量任务。

1.2 测深仪的原理和功能

测深仪是一种用于测量水体深度的设备,可以实时获取水深数据。常见的测深仪包括声学测深仪和雷达测深仪两种类型。声学测深仪利用声波在水中传播的原理进行测量,它发送声波信号并记录信号的反射时间,根据声速和时间差计算水深。声学测深仪适用于不同水体环境,可以测量较大深度的水域。雷达测深仪则利用电磁波在水中的传播进行测量。它发送电磁波信号,并通过接收反射信号的时间差计算水深。雷达测深仪适用于浅水区域,具有快速测量和高精度的特点。测深仪的功能不仅限于测量水深,还可以提供水下地形的信息,如水底地貌、沉积物分布等。它们可以与其他测量设备结合使用,如RTK技术,以获取更全面和精确的水下地形数据[3]。

测深仪搭载RTK的测量方法实现了自动定位与测深一体化,作业效率大幅提升,在大中型水库水下测量中具有较大优势,现在已广泛应用。采用这种方法,水底高程可以通过公式(1)获取,水深可以通过公式(2)获取。其中H为水底高程,HS为水深,HG为RTK接收机高程值,H1为RTK接收机至水面的距离,H2为测深仪换能器至水面的距离,H3为测深仪换能器至水底的距离(图1)。

图1 基于RTK测深原理

H=HG-H1-H2-H3

(1)

HS=H2+H3

(2)

2 RTK与测深仪相结合的优势

2.1 实时高精度定位的优势

表1是RTK与测深仪相结合的实时高精度定位技术的主要特点。RTK与测深仪相结合的实时高精度定位技术具有高精度性能、实时性、即时纠正、高效性和多样性应用等优势。这些优势使得该技术成为现代测量领域中重要的定位方法,为各种应用提供了准确可靠的位置信息[4]。

表1 实时高精度定位技术的主要特点

2.2 深度测量的准确性和效率提升

(1) 准确性提升:结合RTK与测深仪,利用GPS观测数据进行基线解算和数据处理,修复和删除低质量的观测数据,确保深度测量数据的准确性和可靠性。通过基线解算和分析,得到各时段的GPS基线向量和方差-协方差矩阵,提高深度测量的准确性。

(2) 效率提升:采用GPS观测数据处理软件对基线进行分析、解算和处理,通过自动化的处理流程,逐步获取精确的基线处理结果。这种自动化的处理流程大大提高了深度测量的效率,减少了人工处理的时间和工作量。

(3) 数据一致性检查:对于闭合差和重复边的计算,通过检查和比较同步环闭合差、异步环闭合差和重复环闭合差,确保测量数据的一致性。这样可以排除数据异常和错误,提高深度测量结果的可信度。

(4) 精度要求提升:在深度测量中,通过建立GPS(E)级网和一级导线网,以及布设图根控制点,满足测图的精度要求。在控制网络的建立和测量过程中,采用高精度的测量设备和方法,进一步提升深度测量的准确性。

通过RTK与测深仪相结合的方法,深度测量可以获得更准确的结果,并且在时间和人力成本上实现更高效的测量过程。通过提升准确性、优化处理流程、进行数据一致性检查和满足精度要求的控制网,深度测量的准确性和效率得到了显著的提升[5]。

2.3 数据融合与地形建模的优势

(1) 数据多源融合:在数据融合与地形建模过程中,通过结合RTK与测深仪,同时利用GPS观测数据和测深仪测量数据,将两种不同类型的数据进行融合。通过综合利用这些数据,可以获得更全面、准确的地形信息,为地形建模提供更丰富的数据源。

(2) 数据准确性提升:采用RTK与测深仪相结合的方法,包括GPS观测数据和测深仪测量数据,可以提高地形数据的准确性。通过使用高精度的测量设备和严格的观测方法,保证测量数据的准确性,从而提高地形建模的准确性。

(3) 数据处理与整合:在数据处理和整合过程中,通过专业的数据处理软件进行数据处理和融合,确保测量数据的一致性和精确性。将RTK与测深仪的数据进行整合,获得满足规范要求的地形数据,为地形建模提供可靠的数据基础。

(4) 地形建模的精度和真实性提升:通过数据融合与地形建模,将融合后的准确地形数据应用于地形建模过程中。这样可以提高地形建模的精度和真实性,使生成的地形模型更符合实际地貌特征,为相关应用领域提供更可靠的数据支持。

通过RTK与测深仪相结合的数据融合与地形建模方法,可以获得更准确、全面的地形模型数据。数据多源融合、数据准确性的提升、数据处理与整合以及地形建模的精度和真实性提升,为各种应用领域提供更可靠的地理信息数据支持。

3 罗定市水库地形测量案例研究

本次主要针对罗定市碌包坑水库、黄胆岭水库、黄岭水库等6宗水库进行陆地及水下地形测量。依据收集的岸线资料及概略水下地形资料布设测线,利用声速剖面仪、水文资料等确定声速,按规范组装经检校合格的RTK及测深仪作为一套水下高程数据采集装置,岸上地形利用瑞士徕卡公司TCR402的全站仪和中海达公司iRTK2型的RTK进行野外数据采集。利用广东省国土CORS专网卡获取精确的三维坐标,并对测深仪进行坐标和高差改正,参数设置完成后用测深仪进行测深,经内业数据处理及质量检验后,形成水下地形测量成果(图2)。

图2 水下地形测量流程图

3.1 陆地地形测量

地形图测绘采用了瑞士徕卡公司TCR402的2”全站仪和中海达公司iRTK2型的RTK进行野外数据采集。使用GPS-RTK和全站仪直接储存两种方式进行野外数据采集,并按照规范要求进行实测工作。为了获取准确的高程信息,特别对于难以用极坐标方法实测的点,采用加测辅助点和加量辅助边的方式,并在室内利用观测数据进行处理。数据处理和成图采用南方仪器公司的CASS10.1软件,实现数字化地形图绘制和分层管理。

3.2 水下地形测量

罗定市小水库群的水下地形测量设备采用RTK和中海达测深仪HD-MAX相结合。野外数据采集点密度按照规范进行实测,包括水下高程点的采集。测量方法包括利用HD-MAX测深仪和GPS接收机连接,实时动态定位获取测量点的平面坐标和实时水面高程,并结合测深仪的水深信息实现水下地形测量。水深测量前后进行检测和校正,确保测量结果的准确性和可靠性,如图2所示。

(1)利用HD-MAX双频测深仪和GPS接收机连接,形成一个完善的水上测量数据采集系统,利用RTK实时动态定位的优势,获取每个测量点的平面坐标及实时的水面高程,加上测深仪所测得的水深,可以实现无验潮水下地形测量。

(2)每次作业前,应分别在静水和动水条件下,用检测板对测深仪进行比对,测定测深仪的合理实际声速,符合要求后才进行作业,作业后应再次进行检测。水位观测于水深测量测前10分钟开始,测后10分钟结束。

(3)测线方向:本次水下主测线方向垂直于坝轴线方向布设。

(5)本次外业数据检查采用布设检查线的方式进行,检查线基本垂直于主测深线,检查线总长度大于主测深线长度的5%。

(6)对河道水深小于1 m的区域采用测深杆进行水下高程点采集。

(7)根据《测绘作业人员安全规范》(CH 1016-2008)及水上作业的相关要求,采取有效的措施如佩戴救生衣来确保作业人员及仪器的安全。

3.3 断面测量

对于水下断面测量分两种情况:水不深的区域采用RTK+探测杆法进行水下高程点采集,水较深的区域采用冲锋舟配中海达HD-MAX测深仪进行水下测量。内业成图采用南方仪器公司的CASS10.1软件进行数字化成图,提供符合AUTOCAD2000格式的DWG图。

3.4 检查验收与精度评定

地形测量和断面测量实行三级检查。首先由测量组自检,发现问题后进行改正。然后由工地项目组进行检查,确保测量质量符合设计施工要求。最后由院总公办派人进行最终的检查验收。检查方法包括100%的外业巡视和设站检查。质量检查中对主测线与检查线76 582个重合水下高程点进行计算,10 m以内中误差为0.14 m,10～20 m中误差为0.17 m,差值统计见表2。经过检查和精度评定,测量质量能够满足要求。