浅析RTK测绘系统在水文大断面测量中的应用——以元龙水文站为例

赵军霞，雒 仪

（1.甘肃省天水水文水资源勘测局，甘肃 天水 741000；2.甘肃省平凉水文水资源勘测局，甘肃 平凉 744000）

1 大断面测量要求

大断面测量包含陆地与水下两部分测量，陆地部分应测至历年最高洪水位以上0.5～1.0m；漫滩较远的河流，可测至最高洪水边界；有堤防的河流，应测至堤防背河侧的地面为止。水文站应在每年汛前或汛后进行大断面测量，对于河床不稳定的测站，除汛前、汛后测量外，还应在每次较大洪峰过后及时加测[1]。起点距和高程测量应符合《水文测量规范》（SL58-2014）的要求。

2 主要测量方法

目前，水文行业大断面测量普遍常规方法为：高程采用四等或以上水准测量，起点距采用钢尺直接量距、断面标志牌直读、经纬仪交汇或全站仪等方法测定。测量工作结束后，对测得资料进行整理计算、绘制断面图和计算断面面积。由于水准仪具有稳定的可靠性、高等级的测量精度等特点被广泛使用于水文测量中。

RTK（Real Time Kinematic）中文名为实时动态差分测量系统，是一种成熟的GPS测量方法。通过载波相位动态实时差分方法，将基准站采集的载波相位发给移动站，求差解算坐标，使其能够在野外实时得到厘米级定位精度，高程测量可以达到五等水准测量精度，已广泛应用于各种工程测量和地形测量中[2]。

3 元龙水文站简介

元龙水文站是国家重要水文站、中央报汛站，隶属于甘肃省天水水文水资源勘测局管理。主要收集渭河流域基本水文资料，积累该断面水量、水质、含沙量、蒸发量等水文要素。元龙站测验河段较顺直，宽浅河槽，洪水河宽约110m，主流靠近左岸。右岸为块石护堤，左岸基本断面处为长约30m的石笼护堤，其他为土质陡坎，遇洪水易坍塌，详见图1所示。

图1 元龙水文站测验河段平面图

4 大断面测量作业

选择在元龙水文站利用DS32型光学水准仪与中海达V30型RTK测绘系统同时对其河道大断面进行测量，对比两种技术在相同环境下的测量采集能力。水准仪与RTK测绘系统应同时作业，确保实测时起点距位置一致。

4.1 外业测量

（1）光学水准仪测量。水准测量采用四等水准闭合路线。将水准仪架设在通视条件较好的河道岸边并置平，首先应引测水准点高程作为基准高程，以起点距断面桩作为零点。由一名人员持水准尺沿着断面线测量，并严格控制断面变化，仪器观测人员利用对讲机时刻提示持尺人偏离断面线的位置。陆地部分按照起点距依次测量河道大断面各点高程，水下部分利用测深杆实测水底高程，并通过水位换算成高程数据。测量结束后应闭合于引测水准点，以复核测量成果。

（2）RTK测量。RTK测量系统由基站、移动台、外挂电台组成，基准站应架设在待测断面附近空旷的制高点并使之保持水平安置。仪器架设完成后，当GPS指示达到“固定解”后开始断面测量。首先沿待测河道断面线测量2个控制点，作为起始与结束控制点，控制点必须在待测断面直线位置上。RTK断面测量原理为2个控制点所确定的直线和其延长线的测量。测量时，手持软件图形界面会以虚线三角网的方式显示当前偏移与前进方向。

4.2 内业分析

（1）水准测量资料整理采用人工内业计算方式。将测得的原始断面数据记录于测量记载表格中并加以计算，其成果符合四等测量规范要求。

（2）RTK系统资料，采用PC端进行内业分析。利用RTK配套的ActiveSync Driver软件提取测量数据，通过Excel编辑成所需要的测量成果。

通过对测量资料进行内业计算整编，可分别得到水准测量大断面成果与RTK测绘大断面成果，具体见表1。为了进一步分析光学水准仪与RTK测绘对比结果，根据两次实测成果资料绘制了元龙站河道大断面示意图，见图2。

表1 元龙站大断面成果对比表（基本水尺断面）

5 测量对比分析

5.1 数据误差分析

在测量时，测量结果与实际值之间存在差值是客观存在的。河道大断面测量应满足四等水准测量误差要求，其中闭合差应小于或等于，经测算利用DS32型光学水准仪测得元龙站大断面数据闭合差为0.01mm，满足水文测量规范要求[3]。

通过分析元龙水文站大断面RTK测得高程与水准测量高程误差分析，见表2，采用中海达V30型RTK测绘系统测得高程与DS32型光学水准仪测得高程的中误差为0.015m，符合《水文测量规范》SL58-2014中卫星定位高程测量主要技术指标要求，见表3。

5.2 作业质量比对分析

利用水准仪进行大断面测量时，采用断面桩（杆）人工确定大断面线随意性较大，钢尺丈量起点距时存在累积误差，尤其是断面较宽时误差越大；水准测量高程转点多，测量误差较难控制，尤其是地形起伏较大，带来误差越大。RTK测绘系统只需满足测验所需要的最少卫星数，且确保所采集的数值为固定解即可，不存在累积误差；RTK测绘系统实时提供测量里程仪器和位置等参考信息，作业人员易对断面线方向定位进行控制。

图2 元龙水文站大断面测绘数据对比图

表2 RTK与水准测量高程误差评定分析表

表3 卫星定位高程测量主要技术指标要求表 cm

5.3 作业效率比对分析

水准测量必须有两人以上同时进行，水准仪属于短距离测量，单站距离不得超过150m，超出其可视范围或视线受阻时需增加转点，尤其是河道地形较为陡峭或通视性较差时，导致搬站次数较多，测绘记录较数据较为复杂，外业测验和内业数据整理工作量大。

RTK测绘系统只需一名水文职工即可完成仪器组装、设置与测量工作。操作灵活方便不受河道地形限制，一站式解决全部测点测量任务，内业只需导出数值即可，无需人工计算，测量和计算工序少、效率高。

5.4 适用条件分析

水准仪为光学仪器，使用时必须具备光学通视条件，夜间等光线较弱时无法使用，待测水准尺与水准仪之间不能有任何遮挡物。RTK测量可全天候应用，但必须满足测验所需要的最少卫星数，天线上空无遮挡，可利用CORS系统已有高程异常模型，如无CORS系统应建立高程异常模型。

6 RTK适用条件及要求

6.1 技术要求

RTK测量原理是一种卫星通信定位测量，所以在保证至少5颗卫星的前提下，采用中海达V30系列RTK测得其平距误差为1cm+1ppm×D，即里程每增加1km误差增加1cm。RTK测量采取基准站和移动站之间进行实时动态差分计算，在固定解的前提下，经测试高程误差可控制在2cm以内。另外差分测量很容易受到信号影响，电离层厚度、天气影响等都会直接影响到测量质量。如在测量过程中，遇到未知的复杂状况导致RTK无法固定解时，应及时采用水准测量。

6.2 仪器架设

RTK测量系统应架设在待测断面附近空旷的制高点，且周围没有高层建筑物或山峰阻挡，以免影响卫星信号。仪器架设时应注意架设误差、对中误差、仪器高误差，对于较为宽阔的河道断面可另架设独立电台以供扩展通信范围。

6.3 高程拟合

默认设置中RTK所测得的是基于WGS84坐标系下大地高程，与本地所采用的高程之间存在差别。可以通过拟合的方式进行高程异常换算，从而用本地高程取代WGS84大地高程，高程拟合可在测量前进行也可在测量完成后再拟合。距离较短的大断面测量可采用单点拟合，较大范围测量时，可利用“四参数平面拟合”或“七参数曲面拟合”。

7 结论与建议

通过对水准和RTK两种技术施测大断面论证分析，RTK测绘系统比传统水准测量更为先进，并符合水文测量规范要求，操作简便，测量精度高，内业计算处理简单，RTK测绘系统在不增加工作量的前提下拥有更加丰富的测点，对地形的变化控制更好。在满足RTK测量适用条件及要求时，推荐采用RTK测绘系统进行河道大断面测绘，既能保证测验质量，满足水文监测时效性和水文测验特性的要求；又可以提高工作效率，减少人工工作量，解放人力资源，让水文职工以更多的精力投入到提升水文服务能力和更好地支撑新形势下民生水利、水生态文明建设。