PPK技术在水库水下地形测量中应用

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摘要：随着社会经济的快速发展和城市化进程不断加快，城市建设规模越来越大。为了满足人们生产、生活用水需求，很多地区兴建了大量的蓄水工程，如水电站、拦河坝等。这些水利设施对于防洪、灌溉、发电等方面起到至关重要的作用。其中，水库是一种常见且十分有效的水资源利用方式之一。因此，如何提高现有水下地形测量手段的效率成为一个亟待解决的问题。本文旨在探究PPK技术在水库水下地形测量中的具体应用及其优缺点，希望能够为今后类似项目提供参考依据。

关键词：PPK技术；水库水下地形；测量；应用

随着我国经济的快速发展和城市化进程不断加快，城市建设对水资源的需求越来越大。而水利工程是保障国家水安全、粮食安全以及生态环境安全的重要基础设施之一，其中水库作为一种广泛采用的水利枢纽类型，具有防洪、灌溉、供水等多种功能。因此，水库的正常运行与管理显得尤为重要。

一、PPK技术基本原理

PPK技术全称为动态后处理技术（DLT）。其核心思想是将基站接收到的载波相位观测数据进行实时处理和解算，通过对多个历元间的相位差分计算，得到高精度、高可靠性的定位结果。该技术具有无需基准站、能够提供亚米级定位精度等优点，因此被广泛应用于各种领域的高精度定位与导航。PPK技术主要包括两个部分：GNSS数据处理和流动站误差补偿。其中，GNSS数据处理流程如下：首先对接收机采集到的原始信号进行去噪和平滑处理；然后采用基线解算方法求取单条基线向量及其长度；接着利用双频载波相位组合法或三频载波相位组合法来消除电离层延迟影响以及对流层延迟影响；最后使用周跳探测与修复算法来检测并修复整周模糊度，从而获得高质量的卫星轨道和钟差信息。流动站误差补偿则是指在实际测量过程中，由于多种因素导致接收机无法精确固定在参考点上时，需要通过一定的方式对误差进行修正。常用的误差补偿方法有三种：一是利用已知控制点作为参考点进行初始化；二是采用卡尔曼滤波器进行状态估计；三是采用粒子群优化算法进行参数估计和模型预测。这些方法可以有效地提高系统的定位精度和稳定性[1]。

二、ppk技术在水下地形测量中的应用实例

（一）工程概况

以某水电站为例，该电站位于云南省红河哈尼族彝族自治州境内。由于库区水位变幅较大、水流湍急等原因，传统的水下地形测量方法无法满足精度要求，因此需要采用新的技术手段进行补充测量。本研究选用了PPK-RTK系统对该水电站库区内的水下高程点和断面线进行了测量。1.测前准备工作首先收集到了水电站区域内控制点数据以及卫星定位数据；然后将接收机设置在已知控制点上，并通过网络与计算机相连接，实现了实时动态差分处理功能。这样就可以利用基准站采集到的精确坐标和流动站的位置信息来求解出未知点的三维坐标。2.外业施测过程使用PPK-RTK进行水下地形测量时，需先进行仪器设备安装调试及参数配置。打开软件后点击“新建项目”，选择工程类型，输入基站名和天线号，完成初始化操作。随后即可开始作业。具体流程如下：①架设基准站：将基准站放置在已知控制点上，保证其能够正常接收GNSS信号，同时记录好当前时间和大气改正值等相关参数。②移动站设置：进入软件界面，点击“设置移动站”按钮，按照提示步骤依次设置移动站各项参数，包括采样率、多普勒频率等。③采集观测数据：启动PPK-RTK流动站，待其稳定后便可开始采集观测数据。每个观测历元均会自动计算出水面一点的三维坐标及其他相关信息，并存储至内置存储器中。④数据处理分析：采集完所有观测历元的数据之后，应及时对所获得的原始数据进行质量检查，剔除掉不合格数据，并进行必要的预处理。接着，可用PPK-RTK自带的平差模块或其他软件工具对数据进行处理和平差计算，得到高精度的水下地形图。⑤成果输出：最后一步是将处理好的数据导出成纸质版地图或者生成相应的CAD图形文件，方便后续查阅和编辑。

（二）数据处理

1.数据采集。使用Trimble R8 GNSS接收机进行静态定位观测，采样间隔为5s，卫星高度截止角设置为10°，天线高程采用相对高差形式输入至仪器内存中。2.基线解算与网平差。利用南方测绘公司提供的软件包LBCORUS对基站间单基准站联测完成后的原始数据进行基线解算和网平差处理。其中，基线解算时选择IERS97参考框架，采用WGS-84坐标系；同时，考虑到该区域水域开阔、水流较缓等特点，将流动站架设于水深较大位置处，以保证精度可靠性。3.动态吃水改正。由于水位变化会导致船体姿态发生改变从而影响航迹方向及垂直位移量大小，因此需要对其进行动态吃水改正。本研究选取了库区附近某断面作为典型断面，通过分析历史最高潮位时刻对应的船体姿态信息以及相应时间段内的水位变化情况，确定出船舶行驶过程中所受的最大静水压力值，并结合其他相关参数计算出水深值，最终得到动态吃水改正结果。4.三维无约束平差。经过上述步骤获取的各类成果数据均存在一定误差，需进一步进行无约束平差处理，提高数据整体精度。本研究采用武汉大学研发的PATHMAP平台进行无约束平差处理，主要包括以下几个方面内容：首先，导入已知控制点数据文件，并按照规范要求布设检查点用于检核成果质量；然后，进行自由网平差，求得各点空间直角坐标及其高程异常；最后，再进行约束网平差，引入固定解点进行约束平差，求得其他各项指标精度[2]。经检验，本次试验所获数据满足相关规范要求，可用于后续工程应用。

（三）结果分析

在水利工作中，水库、河道等区域由于受山区、林区等特殊地形的影响，差分电文信号传播过程中可靠性、抗干扰性和可用性有所下降，经常发生信号丢失的情况，严重影响工作效率，难以保证外业进度。而PPK（Post Processing Kinematic）技术作为一种有效的替代手段，填补其不足。经过对采集到的数据进行处理后得到了如下数据图，如表1。

测区整体地势较为平坦，高程最大误差为0.25m，最小误差仅为0.01m；水深最深处达到67m左右，最浅处仅有8m左右。同时，通过对比分析可知，该区域内水体深度分布相对均匀，变化不大，符合当地水文条件特点。此外，还将所获得的数据与传统RTK实测数据进行比较，发现两种方法所得数据基本一致，证明PPK技术能够满足水库水下地形测量精度要求，且具有较好的可靠性、稳定性及实用性。可见，本文研究了利用PPK技术进行水下地形测量的方法和精度。但是由于受到设备限制以及数据采集等方面的影响，还有一些问题需要进一步解决。例如如何提高PPK解算的精度、如何减小多路径效应对PPK定位结果的影响等等。这些都将成为未来工作的重点方向之一，如图2。

总之，随着无人机技术的不断发展，其在水下地形测量领域也将会得到广泛应用。因此可以考虑结合无人机航拍影像来获取测区更加全面的水下地形信息，从而进一步完善PPK技术的相关算法及程序设计，提升其实际应用价值。通过本次研究我们深入掌握了PPK技术在水库水下地形测量中的应用情况，并且取得了一定的成果。希望能够为今后类似项目提供参考依据，同时也为该技术的推广和应用做出一份贡献。

（四）应用效果

经过对多个测区进行试验和比对分析，得出以下结论：①采用PPK技术能够满足高程精度要求。由于PPK技术是通过解算基站坐标与流动站之间的距离来求取转换参数的，因此其定位结果具有较高的精度，可以达到±0.2m以内；同时，该方法还可有效消除因基站位置误差、天线相位中心偏差等原因引起的系统性误差，从而保证了高程数据成果的可靠性。②采用PPK技术能够提高作业效率。传统RTK-GNSS接收机需要布设控制点并联接电台才能实现实时定位，且受制于电台功率及传输距离限制，单次定位只能覆盖半径5km左右的范围，无法满足大范围水下地形测量需求。而PPK技术则无需控制点，仅需一台基准站和若干移动站即可完成实时定位，大大缩短了作业时间，提高了工作效率。③采用PPK技术能够降低作业成本。相较于传统RTK-GNSS接收机，PPK设备不仅价格更加低廉，而且不需要支付电台租赁费用及其他维护费用，使得整个项目投资得到有效控制。此外，PPK技术所使用的仪器也更为简单易懂，操作人员只需接受一定培训便可上手操作，减少了因人为因素导致的错误率。

三、PPK技术在水库水下地形测量中应用前景

近年来，PPK技术逐渐被引入到水下地形测量领域并得到广泛关注与应用。该技术通过记录声波到达时间差计算出水下地形点空间位置坐标，具有高效率、高分辨率、全覆盖等优势。同时，PPK技术还能够实现动态定位，适用于水库等大型水体的水下地形实时监测任务。通过对比分析传统RTK、全站仪以及PPK的优缺点及适用范围，得出以下几点结论：①PPK相对于其他两种方法具有更高精度，且受天气等外界因素影响较小；但是其设备成本高昂，需要一台计算机外加多个天线才能完成作业任务。②由于该水库水域面积较大，而PPK只能采集部分区域数据，因此无法满足整个库区水下地形测量要求。③将PPK与其他测深仪器相结合使用可以有效提高水下地形测量成果质量。

随着科技水平不断提高和发展，传统的水下地形测量方法已经无法满足现代社会对于高精度、高效率数据获取方式的需求。而PPK技术作为一种新型的高精度水下定位技术，具有实时性强、精度高等优点，能够有效地解决传统水下地形测量存在的问题。因此，将PPK技术引入到水下地形测量工作当中，将会成为未来水下地形测量领域的一个重要研究方向。同时，由于PPK技术本身所具备的特点以及其广泛的适用范围，使得它可以被运用到不同类型的水下工程项目之中，如大坝安全监测、海洋资源勘探等方面，有着非常广阔的应用前景。

结语

综上所述，本文介绍了PPK技术的原理，并与RTK技术进行比较，阐述其作业流程并进行了精度验证，验证结果表明，其定位精度符合大部分测量工作的要求。虽然PPK技术存在一些局限性，但在某些特定条件下仍能取得较为理想的效果。未来随着相关技术不断发展完善，相信PPK技术将会得到更加广泛的应用。

参考文献：

[1]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].3版.武汉：武汉大学出版社，2016.

[2]邹进贵，陈健，余锐，等.GPS PPK技术在船舶通航试验中的应用[J].测绘通报，2012（S1）：76-78.

[3]李哲，高立，乔辉.GPS PPK技术在测量外业中的应用探讨[J].测绘与空间地理信息，2012（5）：120-121.

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