GPS RTK技術(shù)聯(lián)合數(shù)字化測深儀在水下地形測量中的應(yīng)用

馬成武，趙紅旭，陳和權(quán)，豆?jié)绍?/p>

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司工程測繪公司，吉林長春130062）

水下地形圖不僅在水利水電工程勘測設(shè)計中是非常重要的基礎(chǔ)資料，而且在監(jiān)測橋梁的安全、觀測水庫的淤積、防洪抗旱、河道治理等許多方面都有極大的用途。

水下地形測量主要包括定位和測深兩大部分。傳統(tǒng)的水下地形圖測量方法是：定位測量采用經(jīng)緯儀交會法、經(jīng)緯儀配合測距儀極坐標(biāo)法、全站儀方式等獲得平面坐標(biāo)；測深利用測深桿法、測量錘法（又稱鉛魚）和回聲測深儀等獲得該平面位置處的水深，從而推算出該位置的水下高程。隨著全球定位系統(tǒng)GPS技術(shù)的日益成熟，尤其RTK實(shí)時動態(tài)定位系統(tǒng)以其高精度、高效率、易操作的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種測量和放樣，使用GPS RTK技術(shù)進(jìn)行水下地形測量就比較方便、快捷了。

近年來，中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司工程測繪公司在吉林省豐滿水電站庫區(qū)、甘肅省劉家峽水電站庫區(qū)的水下地形測量和水下縱、橫斷面測量工作中，使用上海華測導(dǎo)航技術(shù)有限公司的產(chǎn)品華測X90系列雙頻GPS接收機(jī)、CHS-29型測深儀，取得了較好的測量效果，充分發(fā)揮了GPS RTK技術(shù)的定位功能和線路放樣特長，在提高測量成果精度的同時，使水下地形測量工作效率得到大幅度提高。

1 工作原理

水下地形測量中，測深儀的工作原理是利用超聲波穿透介質(zhì)并在不同介質(zhì)表面會產(chǎn)生反射的現(xiàn)象，利用超聲波換能器（探頭）發(fā)射超聲波，測出發(fā)射波和反射波之間的時間差來進(jìn)行測量的。聲波在水中的傳播速度為V，換能器（探頭）發(fā)出超聲波，聲波經(jīng)探頭發(fā)射到水底，并由水底反射回到探頭被接收，測得聲波信號往返行程所經(jīng)歷的時間為t，則Z=Vt/2；同時根據(jù)探頭上固定桿的刻度可獲知水面與探頭之間的距離，即吃水深度，兩者之和即為最終水深值。

目前我國大量使用的是單波束回聲測深儀，單波束回聲儀每次只能發(fā)射一束聲波，只能得到一個水深數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過連續(xù)測量、記錄，最后以點(diǎn)連線。另外，如利用單波束回聲儀測量一個地區(qū)的水下地形，須先根據(jù)測圖比例和規(guī)范要求，預(yù)先確定測點(diǎn)和測線的間距，再用測量船逐線逐點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測量，并通過內(nèi)業(yè)處理和繪制水深圖。然后還可根據(jù)水深圖來繪制水下地形等深線圖或斷面圖。如果將測深儀與GPS技術(shù)相結(jié)合，利用現(xiàn)有的測量導(dǎo)航軟件、數(shù)據(jù)后處理軟件組成自動化水深測量及成圖系統(tǒng)，外業(yè)水深測量、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集過程可完全實(shí)現(xiàn)自動化。若配合水深測量數(shù)據(jù)后處理軟件，將大大提高了水深測量的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

與傳統(tǒng)的水下地形測量方法相比，GPS RTK技術(shù)聯(lián)合數(shù)字測深儀進(jìn)行水下地形測量的方法除了配備測量船只、測深設(shè)備外，還需至少2臺GPS（能實(shí)施RTK技術(shù)）接收機(jī)相配合進(jìn)行作業(yè)。外業(yè)工作時，1人駕船、1人操作測深儀測深、1人操作GPS接收機(jī)進(jìn)行定位測量。

實(shí)際作業(yè)過程大體上可以分為前期準(zhǔn)備工作、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析3個部分。

2 前期準(zhǔn)備工作

1）物質(zhì)準(zhǔn)備。與陸地RTK測量不同，需要另外準(zhǔn)備12 m或18 m串口數(shù)據(jù)線、計算機(jī)及相應(yīng)設(shè)備（計算機(jī)需要配備2個串口和1個USB口）、電瓶2個、穩(wěn)壓充電機(jī)2臺、UPS或相關(guān)穩(wěn)壓設(shè)備、GPS外接電源線。

2）架設(shè)基準(zhǔn)站。①如果基準(zhǔn)站需要24 h工作，可以使用穩(wěn)壓充電機(jī)（12 V）對電瓶邊充電邊使用；②啟動基準(zhǔn)站需要用手簿啟動，最好把基準(zhǔn)站的坐標(biāo)記錄下來；③自啟動基準(zhǔn)站，每次都需要進(jìn)行控制點(diǎn)的校正。在已知點(diǎn)或是固定點(diǎn)上啟動基準(zhǔn)站，此時需用手簿啟動基準(zhǔn)站保證每次基準(zhǔn)站發(fā)送的是同一坐標(biāo)（推薦使用此方式）。

3）求解參數(shù)?？梢园凑杖A測點(diǎn)校正過程求解出水平平差和垂直平差，也可以求解7參數(shù)或3參數(shù)。以施工精度等具體情況而定。（說明：如果使用7參數(shù)或3參數(shù)需要把基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)上，并以已知點(diǎn)的坐標(biāo)啟動基準(zhǔn)站）。

4）數(shù)字測深儀安裝。首先安裝、固定換能器，固定換能器位置最好選擇在船體的中部船舷旁邊，這樣可以減少行駛時船首推出的浪涌對探頭的影響和干擾。使用船速快的測量船測量時測深桿必須略向后傾斜，需要增加前后拉繩進(jìn)行加固，因?yàn)榭紤]到水流帶來的拖力和船行駛時的姿態(tài)是略微向上傾斜的。船速如果越快那么換能器吃水就要相對更深，內(nèi)河中也要保證大于0.5 m，（要結(jié)合桿子的長短和實(shí)際作業(yè)的需要），安裝時測深桿一定要保持垂直，要加固和防止探頭松脫掉入水中或者電纜線不慎扯斷。在測深儀里面，吃水深度和聲速都可以在測量參數(shù)界面進(jìn)行設(shè)置，輸入軟件參數(shù)設(shè)置。

5）連接GPS。華測CHS-29測深儀，既可以單獨(dú)作為一套測深儀使用和提供水深數(shù)據(jù)輸出，也可以將水上測量軟件加載于測深儀內(nèi)部，然后外接GPS，起到同時采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)的作用，該測深儀不僅用于測深同時，還起到一臺筆記本電腦的功能和作用。

6）把設(shè)計好的船形復(fù)制在水上軟件安裝目錄中的Boat文件夾中，打開設(shè)置中的船形選擇，選擇設(shè)計好的船形即可。

7）設(shè)計導(dǎo)入背景圖。

8）實(shí)施導(dǎo)航定位：把工作方式改為測量方式，就可根據(jù)船和計劃線的相對關(guān)系進(jìn)行導(dǎo)航定位了。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1 準(zhǔn) 備

1）連接好儀器，打開GPS電源和電腦，如有其它外設(shè)，則要打開它們的電源。

2）將移動站設(shè)置好GPGGA數(shù)據(jù)輸出。

3）運(yùn)行水上測量軟件主程序，打開新建的任務(wù)。

3.2 設(shè) 置

1）記錄——記錄限制（選擇“實(shí)時差分”或是“單點(diǎn)定位”）。

2）記錄設(shè)置。①在“數(shù)據(jù)記錄”頁，設(shè)置記錄間隔；②在“船跡記錄”頁，設(shè)置定位記錄方式；③在“記錄格式”頁，設(shè)置記錄坐標(biāo)類型

3）設(shè)置接口。①設(shè)置定位儀接口；②設(shè)置測深儀接口。

4）設(shè)置數(shù)據(jù)格式，定位儀數(shù)據(jù)輸出格式。

5）設(shè)置測深儀。①在“數(shù)據(jù)格式設(shè)置”頁選擇測深儀；② 根據(jù)不同類型的測深儀對儀器做相關(guān)設(shè)置。

6）設(shè)置船形指示。

7）設(shè)置天線偏差改正數(shù)。

8）設(shè)置固定差改正數(shù)（將求出的固定偏差輸入即可）。

3.3 測量

1）記錄——開始記錄 。輸入測線名（測線名有字母、數(shù)字組成，不得大于6個字符）。

如果自動記錄，做好相關(guān)命名格式設(shè)置

2）記錄——結(jié)束記錄。

3）文件——退出 。

4）關(guān)閉電腦、GPS、外設(shè)，結(jié)束測量。

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析

在隨機(jī) Hydronav軟件中的處理欄中有編輯定位文件、編輯水深文件、打印定位文件、定位文件系統(tǒng)差改正、水深文件系統(tǒng)差改正、HTT文件系統(tǒng)差改正、水深取樣、水深取樣打印、水深散點(diǎn)、測深儀誤差改正、動態(tài)吃水誤差改正、水深文件格式轉(zhuǎn)換、斷面資料、水深橫斷面等工具條。

其中，水深取樣是對外業(yè)測量數(shù)據(jù)按自己要求進(jìn)行取樣，并進(jìn)行初步處理的工具。可以按距離進(jìn)行取樣，在采樣間隔中輸入距離間隔。可以自動處理，剔除錯誤數(shù)據(jù)，也可以手動處理，將錯誤的數(shù)據(jù)拖到似等深線上，處理完成后電擊重繪。最后保存（?.htt）或（?.ss）數(shù)據(jù)。

水深文件改正是將水深文件改正為所需格式的工具，可供選擇的格式有“坐標(biāo)X，坐標(biāo)Y，深度”等格式。

5 實(shí)地測深時應(yīng)注意的問題

安裝探頭。在一般情況下，探頭應(yīng)吃水為50 cm以上，1～2 m淺水區(qū)可適當(dāng)設(shè)吃水較淺一點(diǎn)；綁探頭時應(yīng)注意與平坦水底相垂直，保證在高船速時探頭不出現(xiàn)大的松動，測深時應(yīng)注意探頭的保護(hù)，不擱淺、不觸礁，及時清理環(huán)繞在探頭上面的塑料袋等雜物。

正式測深。打開CHS-29軟件，觀察模擬圖象，應(yīng)為較清晰的波形斷面圖，如有多條或較雜亂，可適當(dāng)調(diào)低增益，加大信號門檻。

航速不能太快，控制在五節(jié)（約2.5 m/s）以下；測量時，應(yīng)不時觀察其數(shù)據(jù)是否跳動正常（包括定位和水深數(shù)據(jù)）；在超過一定深度測量時（大于15 m），如報錯太多，則需調(diào)大增益，加大發(fā)射功率和打開發(fā)射脈沖。

6 結(jié)語

1）首先要對各參數(shù)的含義要有深刻的理解，然后要看水質(zhì)的情況和深度，一般實(shí)際水下比較深則脈寬要適當(dāng)調(diào)大，反之則調(diào)小，原因是水深則吸收聲波能力增強(qiáng)，需增加聲波發(fā)射時間。

2）發(fā)射功率也是隨著深度的增加而提高，功率大表明發(fā)出的聲波振幅比較大，能量也比較大。

3）當(dāng)水中雜質(zhì)比較多則將增益稍微調(diào)低，因?yàn)橛行盘柺艿皆肼暩蓴_大，而回波閾值相應(yīng)也應(yīng)該調(diào)大。

4）如果發(fā)現(xiàn)測量的水深的信號錯誤率比較大，或?qū)嶋H水深發(fā)生變化而數(shù)據(jù)保持不動并相差甚遠(yuǎn)，有可能是聲波的余波造成的，則需要適當(dāng)?shù)募哟笠种泼}寬，來消除有效信號時間段以外的無用信號，但是抑制脈寬也不能設(shè)置太大，以避免影響了下一次正常的信號。

在實(shí)際工作中，根據(jù)不同情況通過上述的參數(shù)調(diào)整，可以去除一些異常的數(shù)據(jù)、提高水深測量值的準(zhǔn)確性。

5）華測CHS-29型測深儀是按新一代全數(shù)字化、電腦化產(chǎn)品，具有防塵、防水、抗震功能，是集水深測量、軟件圖形導(dǎo)航、定位數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)采集功能一體化的水上測量設(shè)備，配合華測集團(tuán)的水上測量導(dǎo)航軟件組成系統(tǒng)化作業(yè)，用戶就可以借助其強(qiáng)大的系統(tǒng)功能達(dá)到高效率、全天候、高精度的水下地形測量，同時也滿足疏浚工程測量和水下地形測量的技術(shù)要求。

［1］李青岳，陳永奇，等.工程測量學(xué)［M］.北京：測繪出版社.1995.

［2］SL197-97水利水電工程測量規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，1998.