GPS-RTK测量技术在小草湖水文站的应用

李树波

（新疆维吾尔自治区吐鲁番水文勘测局，新疆 吐鲁番 838000）

传统的水文测量普遍采用水准仪、全准仪等，既费人力又费时。随着水文巡测工作的开展，加之部分河道测验断面冲淤变化较大，每场洪水之后均需重新测量大断面，加大了水文测量工作量。现以小草湖水文站为例，对GPS-RTK 实时动态测量技术（以下简称GPS-RTK 测量技术）在水文测量中的应用进行探讨。

1 概况

白杨河发源于东天山支脉博格达峰南麓，由黑沟、阿克苏河、高崖子河等山洪沟汇集而成，由北向南穿越天山峡谷进入托克逊县境内，随后流向转为由西向东，最终注入托克逊县城东南约50 km 的艾丁湖[1]。其主要供给乌鲁木齐市达坂城镇、东沟乡、西沟乡、阿克苏乡和托克逊县的托克逊镇、克尔碱镇、夏乡和郭勒布依乡的生产生活用水，余水最终汇入艾丁湖[2]。

小草湖站位于吐鲁番市托克逊县“三十里风区”的风口，是白杨河出山口水文站。该站从2009 年1 月开始观测至今，观测项目有水位、流量、降水，主要为中小河流治理、下游托克逊县防洪提供实时雨水情服务。该站安装的仪器设备有1 套EKA-Ⅵ型电动缆道（使用柴油发电机供电）、非接触微波测速仪及雷达水位计（含自记雨量计）。

2 GPS-RTK测量技术原理及优缺点

RTK（Real Time Kinematic）采用实时动态载波相位差分定位技术进行测量，是一种新的GPS 测量方法，能够在野外实时获得厘米级的定位精度，应用前景广泛。

2.1 GPS-RTK测量技术基本原理

RTK 测量系统是测量技术与数据传输技术构成的组合系统，是一种基于高精度载波相位观测值的实时动态差分定位技术，基准站需将自己所获得的载波相位观测值及站坐标，通过数据通信链实时播发给在其周围工作的动态用户，能够实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度[3]。GPS-RTK 全球定位实时动态测量系统由GPS 导航卫星、基准站、移动站、无线通信电台以及动态差分测量软件组成[4]。

其工作原理为：基准站接收机设在固定的参考点位上，连续接收所有可视GNSS 卫星信号，并将测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去[5]，流动站接收机在跟踪GNSS 卫星信号的同时接收来自基准站的数据，推求载波相位整周模糊度，通过相对定位模型获取所在点相对基准站的坐标和精度指标，在系统内进行实时处理给出厘米级定位结果。

流动站可处于静止状态、运动状态，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。整周末知数解确定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持5 颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，流动站就可随时给出厘米级定位结果。

2.2 GPS-RTK测量技术传输的优缺点

传统的差分数据传输模式主要通过电台传到移动站，优点是信号稳定，速度快；缺点是距离受地形限制，作用距离较近（一般小于15 km）。

新的差分数据传输模式通过手机网络传到移动站，优点是距离不受地形限制，作用距离远，解算距离可达30 km；缺点是信号受手机网络信号质量影响。

3 GPS-RTK测量技术在水文测量中的应用

水文站断面测量与地形测量是水文测验工作的重要组成部分，直接关系到测验精度。当前，各水文站普遍采用水准仪进行断面测量，一般需要3 个人以上。若将GPS-RTK 测量技术引入水文测量中，仅需一人携带移动站移动，不仅能满足小区域测量精度要求，还能实现断面测量的高精度、高效率。

3.1 水文测站地形测量

小草湖站测验断面处在两山夹持中。根据水文测验规范要求，测验断面上游及下游地形变化均要测量，从而掌握地形变化对洪水测验的影响。传统地形测量方式采用自动全站仪测量，一人操作全站仪，另一人或两人各持一台移动镜进行点位数据采样，其操作方法较复杂，费时费力。通过GPS-RTK技术测量仅需要1 个人即可完成，在架设基站和移动站后，由BM 假定高程为引据点，对测验断面周边进行地形测量。

3.2 水尺零点高程测量

小草湖站水尺零点高程测量，按水文勘测规范要求，传统测量方法均采用水准仪加一套双面水准尺测量，一般需要3 个人以上才能操作。通过GPSRTK 测量技术直接引测BM 点高程至河道断面水尺零点高程数据，采用平滑方式提高精度，从而测量出BM 点高程与各系列水尺的高差。2016 年小草湖站共设立水尺11只，因洪水冲毁，陆续新建水尺，以掌握水位变化。全年共施测水尺零点高程8次。根据水文测量规范要求，以水文四等水准方法测量，其精度达到0.031 m即可。测量结果，详见表1。

表1 小草湖站水尺零点高程测量成果

由表1 可知，全年水尺零点高程测量均采用GPS-RTK测量技术。P13次测量中，最大高差为1.8 cm；P33 次测量中，最大高差为1.7 cm；P52 次测量中，最大高差为0.9 cm；P62次测量中，最大高差为0.8 cm；其他水尺因洪水冲毁，没有进行2次比测。校1和校2 主要是对BM 假定高程进行校验。从P1、P3、P5、P6数据看，四者均未超出四等检测校差0.031 m。

3.3 河道大断面测量

小草湖站大断面测量一般采用的仪器是卷尺、水准仪、经纬仪以及全站仪等，测量时至少2名以上工作人员来操作，工作量较大，误差也大。而采用GPS-RTK 测量技术只需1 个人带上移动站，以水文五等水准方法测量，精度达到5 cm 即满足规范要求。具体操作步骤如下。

3.3.1 建立项目

（1）打开Hi-Survey 软件。

（2）新建项目，点击“项目”→“项目信息”，点击界面上的蓝色悬浮“新建”按钮（新建按钮可拖动），进入创建项目界面，输入项目名（必填）、创建人、备注等信息，选择所需的坐标系统和图例编码，确认无误后点击“确定”完成新建项目。

（3）项目设置，选择坐标系统，设置椭球和投影参数。

3.3.2 设置基准站

（1）连接设备。点击“设备连接”或直接点击右上角“请连接设备”进入设备连接界面，选择基准站进行蓝牙配对连接。

（2）设置基准站参数。先设置基准站“接收机”位置，再设置“电文格式”“截止高度角”“数据链”，并通过“高级选项”设置“定位数据频率”“临时静态”等。

（3）设置基准站位置。若基准站架设在已知点上且知道转换参数，则选择“已知点设站”，直接选择该点WGS-84的BLH坐标，也可事先打开转换参数，输入该点NEZ 坐标，这样基准站就以该点的WGS-84 BLH坐标为参考，发射差分数据。

若基准站架设在未知点上，则选择“平滑设站”，设置平滑次数；完成数据链、电文格式等设置后，点击悬浮按钮“设置”接收机将会按照设置的平滑次数进行平滑，最后取平滑后的均值为基准站坐标。另外，平滑设站若勾选“保存坐标”，则还需输入该坐标的目标高、选择量高类型，输入点名。

（4）点击“数据链”，选择数据链类型，输入相关参数。

（5）点击“高级选项”，设置定位数据频率。之后，点击悬浮按钮“设置”，软件提示设置成功。

（6）查看主机差分灯是否有规律闪烁红色；使用外挂电台时，电台收发灯每秒闪烁1 次。若灯闪烁正常，则提示“基准站设置成功，是否切换至移动站设置”。

3.3.3 设置移动站

设置移动台用蓝牙方式连接，确认移动台数据链以及其他各项参数和基准站一致。移动站的设置与基准站连接的步骤相同，移动站的数据链参数必须要和基准站的相同才能接收差分数据。参数设置与基准站一致后点击悬浮按钮“设置”，主机语音播报“UHF 移动台”。稍等片刻，顶部信息栏中显示“固定解”，便可以开始测量作业。

3.3.4 参数计算

首先建立控制点库，具体步骤如下：点击主界面“点数据”→“控制点”→“添加控制点”，手动输入或通过点击右上角的“实时采集”“点选”“图选”来选择点名和相应的坐标，再点击右下角“确定”便可建立控制点库。点击“参数计算”，计算类型选用“四参数+高程拟合”，高程拟合选用“固定差改正”（3 个点以上，高程拟合可以选用“平面拟合”方法）；随后再选择1 个采集点为源点，在目标点处输入相应控制点坐标；最后点击“保存”。

3.3.5 碎步测量

进入碎步测量界面，当显示固定后才可以采集坐标。点击“浮动采集”，输入“点名”“目标高”和“目标高类型”，再点击“确定”即可记录该点。因水尺零点高程精度要求，每根水尺零点高程测量均平滑10次，自动解算高程数据。

3.3.6 数据成果导出

在“数据交换”界面先选择坐标点，再选择对应的格式导出或“自定义”导出，输入文件名，选择文件保存路径，点击“确定”即可导出数据。通过GPS-RTK测量技术完成测量后，数据导出成果详见表2。

表2 小草湖站RTK数据导出（部分）

3.3.7 大断面测量成图分析

2016 年小草湖站汛前汛后共施测断面8 次，其中汛前测量结果如图1所示。

图1 小草湖站汛前大断面测量结果

由图1 可知，测量大断面能较好地掌握河底断面变化。通过导出数据后，在计算机进行加工处理，在Excel软件中通过函数公式计算出间距，再由间距确定起点距；断面高程数据则直接测算点对点高差，然后换算成BM假定高程后得出河道断面数据。

3.4 测量注意事项

利用GPS-RTK 测量技术测量小草湖站大断面时，只需1 个人操作，从架基站开始到测量结束，大约30 min内即可完成；再加上导出数据处理加工，套用Excel函数公式算出起点距和高程等结果，前后时间总计不超过1 h。相比水准仪测量方法，该技术大大提高了工作效率。

需要注意的是，水尺零点高程测量需要进行平滑10次操作，自动算出高程，精度相比单点操作高，而且技术上也需要进行类似往返测量2 次，取平均值数据更可靠。而大断面测量在BM 假定高程引测时，先进行线放样确定左右两岸两点后，形成一条线，再进行沿线碎步测量，这样不会偏离断面线，再进行1 次BM 假定高程测量（需要在对岸设置1 个闭合点），以便查验测量精度差。本年度测量未设置闭合点，无法看出精度差，仅仅通过断面测量计算过水面积。

4 结语

通过GPS-RTK 测量技术在小草湖站实际应用的分析可知，GPS-RTK 测量技术具有便捷、节省人力等特点，在水文测量中有广泛应用空间。但是，受到该技术本身缺陷的影响以及水文测验规范要求，GPS-RTK 测量技术尚不能完全替代传统手段，还需进一步研究GPS-RTK 测量技术在水文测验中的应用，为其更好地保证水文测量精度和质量提供参考。