水深測量中的高程精度探討

孫曉偉

摘要：隨著設(shè)計方法的進(jìn)步，施工技術(shù)的提高，對水深測量的精度要求越來越高。本文主要介紹了驗潮方式和無驗潮方式測量水深的高程精度控制方法及實用范圍。

關(guān)鍵詞：RTK 測深儀 高程精度

1 概述

高精度的RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度。這幾年來RTK在工程放樣、地形測圖，各種控制測量已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在水深測量中也得到越來越廣泛的推廣。測深儀是利用回聲探測原理根據(jù)聲波的傳輸速度和時間計算水深。RTK和測深儀的出現(xiàn)徹底取代了傳統(tǒng)的交會定位、測深桿測水深的測量方式，大大減少了測量人員的勞動強度。它的自動化程度高，精度高，受天氣影響因素小，極大的提高了工作效益。RTK和測深儀測水深主要有無驗潮和驗潮兩種測量方式。下面將分別介紹這兩種測量方式的測量原理及高程精度控制。

2 驗潮方式和無驗潮方式測量原理

如圖所示，hr為RTK接收機高程，h為水面到RTK接收機的高度（桿高），Z0為測深頭到水面高度（吃水），Z為測深頭到水底高度，hs為水面高程（水位）。Zm位水底高程。則：

驗潮：Zm=hs-（Z0＋Z） （1）

無驗潮：Zm=hr-h-（Z0＋Z） （2）

根據(jù)上述公式：要控制水深測量的精度就要控制RTK接收機高程hr，水位hs，測量深度Z的精度。吃水Z0和桿高h(yuǎn)是定值，只要設(shè)置準(zhǔn)確即可。

3 驗潮方式和無驗潮方式測量精度分析

3.1 驗潮方式測量方法 根據(jù)公式（1），要控制Zm精度，就要控制水位hs、測量水深（Z0＋Z）的精度。水位hs即水面高程，應(yīng)該是測量點的實時水面高程。由于收外界環(huán)境的影響，水面的高程是時刻變化的，而且無規(guī)律。要想精確測定每一點的高程是不可能的。但很多因素對水位影響很小，可以忽略不計。經(jīng)分析，主要是波浪、潮汐、水流流速等因素對水位影響較大。波浪是由于起風(fēng)、氣壓變化或水流的撞擊造成水面上下起伏，這就使得hs忽大忽小，而且這種變化毫無規(guī)律。這時要控制Zm的精度就應(yīng)當(dāng)增加驗潮站觀測次數(shù)，如果這時水位變化超過測量限差就應(yīng)當(dāng)停止測量，選擇風(fēng)浪較小的時段再測量。潮汐是指海水在天體（主要是月球和太陽）引潮力作用下所產(chǎn)生的周期性運動，這個運動也是水面上下起伏，不過這種起伏周期較長，變化有一定的規(guī)律，這時只有增加驗潮站觀測次數(shù)，水深后處理時，分時段改正，就能保證水位的測量精度。水流流速是指水流質(zhì)點在單位時間內(nèi)所通過的距離。水要流動，就得有高差，這就使得河流上下游水位不一樣。水流得快，上下高差就大，hs變化也隨之增大，反之則小。但這種變化一般是均勻的。這時要保證水位測量精度就要在河流上下游多增設(shè)驗潮站數(shù)量，水深后處理時，分段該正。測深儀測量水深（Z0＋Z）的精度主要受測深儀的影響。要想測深數(shù)據(jù)可靠，就要正確安置測深桿的位置，準(zhǔn)確設(shè)置好測深儀的聲速，增溢，吃水Z，發(fā)射功率等。并且要經(jīng)常用測深桿測量水深和測深儀測的水深比較，如果超過限差，要及時找到原因，排除故障。

3.2 無驗潮方式測量方法 根據(jù)公式（2），要控制Zm精度，就要控制RTK高程hr、測量水深（Z0＋Z）的精度。RTK高程hr：雖然目前RTK平面精度很高，以達(dá)到2cm的精度，但由于高程異常的區(qū)域性，高程轉(zhuǎn)換模型還不夠完善，高程精度一直沒得到很好的解決。目前RTK坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法主要有七參數(shù)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法和平面坐標(biāo)由相似變換、高程由擬合得到的三維分離法。七參數(shù)法可以同時得到某個點的平面坐標(biāo)和高程，一般能控制10公里的測量范圍，但要求至少四個已知控制點且均勻分布在測區(qū)內(nèi)，還要先在控制點上做靜態(tài)GPS，得到控制點的WGS84坐標(biāo)，才能求解七參數(shù)。費時費力，在水上測量上用得很少。三維分離法是通過兩種不通的轉(zhuǎn)換分別得到某一點的平面坐標(biāo)和高程信息。一般能控制3到4公里的測量范圍，無需做靜態(tài)GPS，只要求兩個已知控制點就可以求轉(zhuǎn)換參數(shù)。但這樣的轉(zhuǎn)換參數(shù)精度較低，尤其是高程精度。遇到高程異常比較大的地區(qū)，這樣的參數(shù)只能控制2公里的測量范圍。若超過控制范圍，要重新找離測區(qū)近的高程點校核，才能保證RTK的高程測量精度。水面到RTK接收機的高度h為定值，只有測量無誤，在軟件內(nèi)設(shè)置準(zhǔn)確即口。測深儀測量水深（Z0＋Z）的精度影響因素同無驗潮方式測深儀測量水深。

4 結(jié)論

通過對以上兩種測量方式的高程精度影響因素的分析、比較和平時測量經(jīng)驗總結(jié)得出：

4.1 驗潮方式測量水深適合水面相對平靜的水域。如風(fēng)浪比較小的水庫、湖泊、內(nèi)河航道。對于流速比較大的測區(qū)，可增加驗潮站數(shù)量和觀測次數(shù)，這樣才能保證測量水深準(zhǔn)確。

4.2 無驗潮方式測量水深于水位變化無關(guān)，受外界影響因素較小。而且省去了設(shè)立驗潮站的工作，受到越來越廣泛的推廣。但由于RTK高程精度的限制，只能選擇在高程點附近測量。如果測區(qū)離高程控制點比較遠(yuǎn)了。要及時用高程點進(jìn)行重新校核。

對于是選用無驗潮方式測量還是驗潮方式測量，應(yīng)根據(jù)測區(qū)的范圍、氣候情況、水位變化情況和控制點分布情況，綜合考慮，才能在保證水深測量精度的前提下，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙建虎，周豐年，張紅梅.船載GPS水位測量方法研究.測繪通報.2001年.

[2]喬仰文等.GPS衛(wèi)星定位原理及其在測繪種的應(yīng)用.教育科學(xué)出版社.

[3]張振軍等.RTK測量精度評定方法研究.測繪通報.2007年1月.

[4]中海達(dá)測量技術(shù)有限公司.HD27測深儀使用手冊.