GPS-RTK技术在哈密市山区洪水灾害调查中的应用分析

阿米娜·依米提

(哈密水文勘测局，新疆 哈密 839000)

0 引言

哈密市地处新疆以东，东接甘肃酒泉，自古以来就享有“丝绸咽喉”、“新疆门户”等称号，是我国西部大开发的桥头堡，具有东联、西出、南通、北拓的战略地缘优势。哈密地区干旱少雨，水资源紧缺，人均水资源占有量严重不足，当地居民用水来源主要以地下水和高山积雪为主。此外，哈密市自1935年至今，据记载发生过20余次较大洪水灾害，其中2018年7月发生的特大暴雨引发洪涝灾害，导致哈密市境内多地受灾，遇难20人，有8人失踪。可见，哈密地区这种交替进行的洪旱灾害给当地人民带来了巨大损害，严重制约着哈密市经济发展。为更加快速准确获得山区洪涝灾害暴发的信息，必须加强科学技术的研究；科学评价各种测评工具在实践中的优势和劣势才能充分发挥测量技术的重要作用。GPS-RTK测量技术建立在载波相位观测值的基础上,是一种能进行实时动态测定的高科技系统,在山洪灾害测量工作的开展中具有非常强大的优势。

1 RTK技术的今昔对比

1.1 工作原理

GPS-RTK(Real Time Kinematic)为实时动态测量技术，它是基于无线电技术、数字通信技术、计算机技术和GPS测量定位技术的组合系统[1]。GPS-RTK系统分为三大系统—基站、无线电通信发射系统和流动站。RTK基准站和流动站的模块组成详见图1。RTK基准站和流动站都具有GPS信号接收机、12 V蓄电瓶的电源系统、天线系统等。

1.2 传统RTK

传统RTK也称RTK电台模式，这种模式主要围绕差分信号展开。传统RTK中，设置一个基准站和若干流动站，流动站和基准站的距离被限制在10 km以内，RTK利用电台进行信号差分。基准站计算接收到的数据从而得到每个时间点的差分数据，并通过电台发出。流动站则通过接收天线接收来自基准站的信号，后再经过计算进而得到某个点的坐标信息。

图1 RTK基本组成模块

传统的RTK系统比较简单，其主要结构见图2。该系统运行时，基准站采集卫星信号后发送至各个流动站点，流动站则负责每个待测点的实地测量。在接收到来自基准站的信号后，流动站会将数据差分到确切的精度，然后在进行测量。操作人员无需做复杂的测量工作，只需要将设备的天线对中整平微调后即可打开“自动测量”，实现设备的自动测量。传统的RTK在操作上能够做到智能化和简单化，大幅度提高工作效率，但是由于测量范围一般很广阔，随着测距增加，设备的误差会逐渐变大(一般超过5 km后误差会开始形成)，精度显著降低[2-5]。

1.3 网络RTK

与传统RTK不同，网络RTK设置多个基准站，技术人员不需要再设额外的基准站即可实现信号发送[4]。在距离上，网络RTK具有更远距离的优势，用户和基准站的距离可以达到几百公里；不仅如此，在误差方面，网络RTK能减少发生在传统RTK上的误差源，测量结果可信度更高。在误差处理上，网络RTK由三个基础部分组成：数据收集处、数据处理中心修正数据、发送修正信息。首先由若干个基准站收集观测到的数据，采集到实时数据后会发送至数据处理中心，处理中心是整个系统的主要控制者。来自基准站的数据会经过初筛(粗差剔除)、互联网解算、改正等步骤后才能到达用户。

网络RTK必须设置三个以上基准站才能实现测量信息改正计算，基准站数目越多，改正后信息越接近真实值。如果基准站足够多，那么即使是某个基准站出现问题系统仍能正常运行。网络RTK通过移动或联通信号发送信息(见图3)，测区能实现手机通讯就能实现测量数据的传送。网络RTK有着更为简单的操作模式，操作者只需要一款具备上网功能的智能手机、控制手簿和几根校对中干就能作业。

图2 RTK传统工作模式

图3 RTK网络工作模式

2 AHCORS技术

2.1 基本原理

AHCORS运用GPS卫星定位系统，在某个测量范围内依据计算机技术和互联网络(LAN/WAN)技术将众多参考站联系成一个网络体系。在这个网络体系中，数据中心处将来自参考站的数据利用网络处理之后自动发送给各地用户，终端用户需要配置相应的GPS接收机以接受需要的信息[6-8]。用户在参与外业工作时，通过GPS接收机即可快速定位、快速导航和后期导航。AHCORS技术能实现mm级、cm级、dm级、m级的定位功能，但根据需求需要在测区范围内建设常年运行的若干固定的GPS参考站。

2.2 运行流程

虚拟基准站技术(VRS)是AHCORS进行实时定位的关键手段。在VRS网络中，基准站的数据不会直接发送至用户，而是将一手数据先发送至控制中心[9]。工作人员在实际操作中，提前发送一个大概的位置信息到控制中心，控制中心根据大概位置调取最近的一系列基准站用于服务。基准站收到用户的大致位置后会通过GPS改正位置误差，这个过程涉及到大气上空的对流层和电离层导致的细微误差，基准站通过这种方式最终将高精度的差分信号发送给工作人员。虚拟基准站给出的差分信号可以模拟一个虚构的参考站，有效解决了RTK在距离上的限制，同时保证了信息的准确度。下面介绍了该项服务的主要技术流程：

(1)系统控制中心全天24 h接收来自各地基准站通过各种网络渠道发送的观测数据。

(2)控制中心在接受到观测数据后即刻进行数据实时分析、解算，同时根据分析结果建立相应的误差模型。

(3)控制中心同时接收来自若干个流动站的位置坐标信息，此时控制中心即可在流动站旁虚拟建造一个基准站(VRS)，站点建立后实时工作逐步展开。通过实时解算得到VRS上各误差源影响的改正值,并按RTCM格式通过NTRIP协议发送给流动站。

(4)流动站通过解算改正信息后即可得到其准确位置。

图4 虚拟基站图示

2.3 优缺点分析

在山洪灾害调查中，环境往往是制约外业顺利展开的主要因素。通过了解AHCORS的基本原理和流程不难发现其具备以下优势：

(1)因AHCORS采用虚拟基准站技术，不受天气、视野和其他外在因素限制。

(2)有效摆脱了无线电技术的约束，利用因特网、GPRS和CDMA作为差分信号传输的载体，使用者无需考虑距离过远的影响。

(3)操作简单、数据收集精准高效，可以提高工作效率和测量结果的准确性。

目前AHCORS技术存在的技术难题是在某些区域内存在信号弱或无信号的问题，经过调研发现可能的原因有以下几点：

(1)测量地区地形环境险恶，尤其是有大面积丛林和狭长峡谷。这种地方有效卫星数量有限，RTK网络不能得到固定解，加之卫星信号被遮挡，测量结果往往会比较粗略。

(2)流动站与控制中心通过移动信号形成关联，如果两者间信号基站覆盖不到，就会形成信号不稳定作业区，流动站就没法得到固定解。

(3)虚拟基准站(VRS)设置在基准站网以外，无法被有效覆盖，固定解依然无法得到。

3 测量方案的选取

3.1 测区概况

伊吾河流域地处东天山东部哈尔里克山北坡，地理位置东经90°21′～ 94°53′，北纬42°58′～43°18′。伊吾河是哈密地区年径流量最大的一条河流，也是哈密地区唯一一条终年不封冻的河流。该流域出山口以上的地质构造为古生代沉积岩、变质岩及火山岩，经过多次强烈的构造活动，形成了南高北低的地貌形态，在海拔3 600 m以上的高山区，终年为冰川、积雪覆盖；在海拔1 000～3 600 m的中低山区，沟壑纵横，水草丰美，是径流形成区，也是洪水多发地区；海拔1 000 m以下为淖毛湖戈壁荒漠，是径流散失区。

3.2 测量方案比选

3.2.1 AHCORS技术测量

伊吾河两岸控制点还未完善，因此本次可以采用AHCORS技术在河道两岸布置控制点。但是在测量时，由于河道周围高大树木、建筑物和其他环境因素，此方法很难达到预期效果，几乎没办法得到固定解。此外由于海拔高，气温低，终年冰川覆盖，外业测量有很大限制，特别是在测量河道上游3 600 m的高山区域，信号难以搜索等问题频出。由此采用AHCORS技术来对伊吾河流域进行测评时只能用于控制点布置。

3.2.2 全站仪法

全站仪法是最真实的一种测量手段，使用该方法可以有效避免伊吾河流域高大遮挡物的影响[10]，但伊吾河流域环境艰苦，具有峡谷、冰川、谷地等地形，河道曲折视野差，测站的测量半径仅为100 m，由此会不断换点，增加了测量难度。鉴于全站仪的优缺点，在对伊吾河测量中可以作为一个补测的方法，用于一些谷地、茂密树林等地的测量。

3.2.3 传统RTK法

该法需要在所测区域设置基准站，且架设基准站的位置应该是开阔无遮挡的高地，伊吾河流域高差大，3 600 m以上的高原地区常年冰封，不适合作为基准站，因此将基准站设置在中低山区的平原地带。

综合评价伊吾河附近地形后，最终确定将基准站架设在海拔1 000 m以下淖毛湖戈壁荒漠区域，距离湖水水面高差近10 m，视野开阔。首先采用AHCORS技术在戈壁荒漠区域设置一对控制点，接着布设基准台，此时采用传统RTK测量模式。传统RTK测量模式测量横断面、纵断面和水面线时，采用“一拖二”的测量模式。两台流动站，一台测横断面，其余一台负责剩余两个断面的测量。在地形复杂地区可以用RTK做控制配合全站仪使用，环境较好地区可直接使用网络RTK给出的差分数据。简而言之，就是有网络信号和CORS覆盖范围的地方就选择网络RTK工作模式(CORS)，没有网络信号和CORS覆盖范围的地方就选择传统(电台)RTK工作模式。在水深测量项目中，RTK模式需配合回声测量仪使用，水深数值会记录在RTK手薄编码中。在规定一个月时间内，通过各项仪器的优势互补，网络RTK和传统RTK配合工作，最终顺利完成了测量工作。

4 结语

网络RTK技术是在传统RTK技术上发展起来的，现如今网络RTK技术不断成熟，国内多家企业已经在此基础上开发出了更优质的实用软件。可是制约RTK技术发展的关键性问题依然亟需解决，比如各个地区建立的数据库无法统一，没有一致的标准、数据传送过程中存在着数据格式不同，兼容性低的问题、难以形成误差模型等。使用网路RTK时，无法避免大气影响下数据误差的形成，被动的微调难以改变信息传播中的错误。

在未来一段时间内，RTK依然是主流方向，它在灾害防治、地形测量和控制测量依然发挥着中流砥柱的作用，科技的进步促使它向高精度，抗干扰性强的方向推进。RTK技术的强大功能与潜力尚未充分发掘，与GIS集成、实时控制、综合自动化作业是其未来的发展方向，网络RTK技术在山区等隐蔽区域的功能限制会是以后RTK技术的重点研究内容。