應(yīng)用GPS與測深儀進(jìn)行無驗潮水下地形測量

裴運軍

（深圳市長勘勘察設(shè)計有限公司 深圳市 518003）

傳統(tǒng)的水下地形測量方法是在岸邊選擇通視條件良好的幾個控制點，架設(shè)經(jīng)緯儀（2 臺交會）或全站儀，實時觀測船體上的固定目標(biāo)點，通過計算獲得測量目標(biāo)點的平面坐標(biāo)，再利用水面高程與所測水深數(shù)據(jù)來求得測量點的水底高程。這種測量方法測量精度差、效率低，同時要進(jìn)行水位測量，而且很難做到平面與高程的同步觀測。

隨著GPS-RTK 技術(shù)的迅速發(fā)展，在水下地形測量中使用高精度GPS 定位和數(shù)字測深技術(shù)成為當(dāng)今水下地形測量的首選方案。該技術(shù)無需測量水面高程，將GPS 與測深儀、電腦等設(shè)備聯(lián)在一起，組成水下地形測量系統(tǒng)，測量時僅需1～2 名操作員，不僅減少了作業(yè)員的勞動強度，而且大大提高了工作效率。

1 GPS 差分技術(shù)水下地形測量系統(tǒng)組成

組成GPS 水下地形測量系統(tǒng)的主要設(shè)備為：2臺帶實時差分GPS 接收機和1 臺數(shù)字式測深儀。其中1 臺GPS 接收機作為參考站設(shè)置在岸上的已知點上，另1 臺在測深船上作為流動站，在測深船上將GPS 接收機、數(shù)字化測深儀、便攜式電腦連接成水下地形測量系統(tǒng)。設(shè)備連接如附圖。

附圖 設(shè)備連接圖

GPS 接收機與測深儀的換能器之間，由一根固定長度的桿件連接在一起，GPS 天線位于測深儀探頭正上方，并將兩者固定在船的側(cè)面，使GPS 天線與換能器的連接桿垂直于水面，這樣可保證測深儀探頭與GPS 天線的平面坐標(biāo)一致。利用測深儀系統(tǒng)的控制裝置可使接收機天線與換能器同步工作，即在GPS 接收機測量三維坐標(biāo)的同時，測深儀也測得其底面以下部分的水深。

作業(yè)開始后，當(dāng)參考站（GPS 基準(zhǔn)站）的GPS 接收機接收到五顆以上衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，立即通過電臺將數(shù)據(jù)鏈發(fā)射給流動站，流動站接收到數(shù)據(jù)鏈后，自動解算出自身位置的平面坐標(biāo)和水面高程，并將以上數(shù)據(jù)通過計算機串口傳輸給計算機，同時數(shù)字化測深儀把同步測得的水深數(shù)據(jù)通過計算機另一擴展串口（利用計算機上PCMCIA 插槽插入PCMCIA 卡來擴展）傳輸給計算機，測量軟件根據(jù)設(shè)定的參數(shù)同步記錄一個既有測深點的平面坐標(biāo)和水面高程，又有水深值的數(shù)據(jù)文件。

2 基本原理

2.1 水下地形點坐標(biāo)和高程值的獲取

GPS RTK 動態(tài)測量方法，是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分測量技術(shù)。載波相位差分測量的定位精度很大程度上依賴于整周模糊度能否在航精確確定。整周模糊度在航解算（OTF）是一種動態(tài)環(huán)境下的模糊度確定方法，它可省去在精密動態(tài)定位中的的靜態(tài)初始化過程。常規(guī)精密定位中復(fù)雜的整周跳變問題也因OTF 的引入變得十分簡單。載波相位差分測量整周模糊度的確定模型為：

式中 Xk=（dxdydzx y z dn0dn1…dnm）——狀態(tài)向量；

Φk-1——狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；

Hk,φ——載波相位的測量矩陣；

Rk,φ——載波相位的方差陣；

Qk——系數(shù)陣。

由上式計算得到整周模糊度N 后，代入載波相位觀測方程，便可以獲得厘米級的平面定位精度。

1996年1月，泛海系作為股東之一的民生銀行正式成立，成為中國第一家主要由民營企業(yè)發(fā)起設(shè)立的全國性股份制商業(yè)銀行，注冊資金為13.8億元。

動態(tài)測量船上天線的空間坐標(biāo)由GPS 自動處理，解算后的三維坐標(biāo)通過串口輸出到筆記本電腦中。只要量取GPS 天線相位中心到換能器之間的垂距hG-T以及換能器吃水深度便可得水面的高程Vs，進(jìn)而獲得水底點的高程Vd。設(shè)V 為測量的水深，GPS 相位中心的高程為VG，則水底點的高程hd可表達(dá)為：

這種方法無須進(jìn)行水位改正，直接得到同陸地高程基準(zhǔn)一致的高程。

2.2 水下地形測量數(shù)據(jù)采集密度的控制、船體運行軌跡和船速的確定

測深船在工作過程中，筆記本電腦不斷從GPS中接收數(shù)據(jù)，在Trimble GPS 中，其串口的輸出信息串中帶有GPS 天線的三維坐標(biāo)和UTC 時間，可以根據(jù)信息串中的平面坐標(biāo)求出與上一點的航行距離D，如果D 小于采集控制密度D 控，則放棄該數(shù)據(jù)，若D 等于或大于D 控，則筆記本電腦將該點數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存。

將采集的數(shù)據(jù)點連接起來，并將圖形在筆記本電腦上顯示，即得到測深船的運行軌跡。

在求出兩點的距離后，根據(jù)UTC 求出兩點間的航行時間T，則測量船的即時船速可按下式求出：

根據(jù)測深船在地形圖上的運行軌跡和速度，可以對測量船的航行進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)操作方法

置GPS 接收天線于控制點上，在測站附近架設(shè)好電傳天線。將量取的GPS 天線高和該控制點的WGS-84 經(jīng)緯度坐標(biāo)輸入GPS 手薄中并啟動GPS主機，再在同一文件下（保證各參數(shù)相同）啟動GPS流動站并進(jìn)行初始化處理，待流動站GPS 接收機得到固定解后，用流動站接收天線檢測另兩個控制點坐標(biāo)，正確后將GPS 流動站移到測深船上。

打筆記本電腦，啟動水下地形測量程序，新建一測量任務(wù)，命名為SZH1，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、探頭吃水深度、天線高度、以及數(shù)據(jù)采集密度輸入電子手簿中，隨后打開測深線布置圖，即可開始觀測。隨著測量船的前進(jìn)，筆記本電腦自動將GPS 接收機中的定位數(shù)據(jù)換算成當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系和高程，筆記本電腦中的船形標(biāo)志會在屏幕上繪出船體的運行軌跡，將圖形放大，可以查看地形點的位置和高程，操作員所要做的是指揮船的運行方向，使測量船的軌跡線與測深線一致。并隨時查看電腦中的信息，當(dāng)GPS 接收機所測衛(wèi)星信號出現(xiàn)失鎖時，電腦會出現(xiàn)“無固定解”的提示信息。此時，需重新初始化。由于數(shù)據(jù)點的采集實時保存在電腦中，不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)丟失。

每天采集完數(shù)據(jù)后，將筆記本電腦中存儲的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至個人電腦上進(jìn)行地形圖的詳細(xì)編輯。

4 資料處理

野外測量結(jié)束后，在室內(nèi)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括水深取樣、綜合改正輸出、剔除因頻率漂移出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)點以及數(shù)據(jù)合并、格式轉(zhuǎn)換等；按照數(shù)字化成圖軟件要求的格式形成水下地形點數(shù)據(jù)文件，完成展點、等深線生成、注記等工作，保存圖形，并以需要的比例尺輸出圖形。

5 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的水下測量模式相比，具有以下特點：

（1）用GPS RTK 技術(shù)進(jìn)行水下地形測量省去了水位觀測（即無驗潮），不存在水位觀測誤差（潮汐與水流影響）和水位內(nèi)插誤差，提高了水深測量精度。

（2）適用于無驗潮站水域，拓寬了其應(yīng)用范圍。

（3）使用一體化測量系統(tǒng)，減少了作業(yè)員的勞動強度，提高了作業(yè)效率。

（4）測量前必須對控制點進(jìn)行檢測，驗證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性；對回聲測深儀進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗和一致性檢驗，保證測深結(jié)果的正確性。

1 呂繼書.GPS 結(jié)合測深儀水下地形測量原理與應(yīng)用[J].天然氣與石油，2010，49（4）：50-52.

2 梁開龍.水下地形測量[M].北京：測繪出版社，1995.

3 李征航，黃勁松. GPS 測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.