GPS-RTK技術(shù)配合數(shù)字測深儀進(jìn)行水下地形測量方法的應(yīng)用

盧吉鋒，馮雪巍，徐 偉

(1.滄州水利勘測設(shè)計(jì)院，河北 滄州 061000；2.滄州市測繪院，河北 滄州 061001)

水下地形測量工作主要包括定位和測深。傳統(tǒng)的測量方法是利用全站儀等儀器獲得水下地形點(diǎn)的平面坐標(biāo)，利用測深桿和回聲測深儀等方法獲得該點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)，然后推算相應(yīng)位置的水下高程，從而確定一點(diǎn)的三維坐標(biāo)。隨著GPS-RTK技術(shù)的快速發(fā)展，使水下地形測量方法產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，這種方法是利用GPSRTK技術(shù)測定一個(gè)點(diǎn)的平面位置、水面高程的同時(shí)，利用數(shù)字測深儀測量的該點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)，直接計(jì)算得到該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其測量的數(shù)據(jù)直接應(yīng)用到繪圖軟件中成圖。

2012年滄州水利勘測設(shè)計(jì)院承擔(dān)了北京市水庫除險(xiǎn)加固工程共16座水庫1∶2000地形圖測量的任務(wù)，在各庫區(qū)水下地形測量時(shí)使用中海達(dá)HD370數(shù)字測深儀和Trimble GPS-RTK測量庫區(qū)水下地形，取得了較好的效果。

1 水下地形測量作業(yè)系統(tǒng)的組成

水深測量的作業(yè)系統(tǒng)主要由GPS-RTK接收機(jī)、中海達(dá)HD370數(shù)字化測深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和便攜式計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件等組成。測量作業(yè)主要包括測前準(zhǔn)備、外業(yè)的數(shù)據(jù)采集測量作業(yè)和數(shù)據(jù)的后處理和最終輸出水下地形圖。

2 測前準(zhǔn)備(求轉(zhuǎn)換參數(shù))

利用測區(qū)內(nèi)的三到四個(gè)平面、高程控制點(diǎn)和相應(yīng)控制點(diǎn)在RTK手薄中的經(jīng)度、緯度、高度，利用中海達(dá)HI-RTK軟件求得測深儀測量需要的四參數(shù)(dx，dy，旋轉(zhuǎn)參數(shù)與尺度參數(shù))——該參數(shù)為測深儀用參數(shù)。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集實(shí)施布驟

3.1 GPS-RTK基站架設(shè)

將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)控制控制點(diǎn)上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、發(fā)射間隔及最大衛(wèi)星使用數(shù)。轉(zhuǎn)換四參數(shù)(該參數(shù)為W GS84坐標(biāo)與北京63坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù))，輸入基準(zhǔn)站坐標(biāo)后設(shè)置為基準(zhǔn)站。

3.2 GPS-RTK測量工作檢查

將GPS-RTK移動(dòng)站架設(shè)在另外的一個(gè)平面、高程控制點(diǎn)上，采集該點(diǎn)的坐標(biāo)及高程，與已知坐標(biāo)高程值互差滿足規(guī)范要求后，準(zhǔn)備進(jìn)行RTK測量。

3.3 中海達(dá)HD370測深儀工作設(shè)置

3.3.1 建立任務(wù)

設(shè)置好坐標(biāo)系、投影、一級(jí)變換及圖定義。此處需要輸入測前準(zhǔn)備階段所求的四參數(shù)。

3.3.2 做計(jì)劃線

根據(jù)測量精度要求，每40米布設(shè)一條測線。

3.3.3 水面高程校正

首先用GPS-RTK測量所測水域的水面高程，然后將GPS-RTK接收機(jī)、數(shù)字化測深儀和便攜機(jī)等連接好后，打開電源。設(shè)置好記錄設(shè)置、定位儀和測深儀接口、接收機(jī)數(shù)據(jù)格式、測深儀配置、天線偏差改正及延遲校正后，根據(jù)測深儀顯示的水面高程與GPS-RTK測量所測水域的水面高程進(jìn)行比較，將其差值改正到吃水深度中，如測深儀顯示的水面高程與GPS-RTK測量所測水域的水面高程仍不一致，還需進(jìn)行校正，直致兩次測量水面高程一致。

3.3.4 測量工作開始前檢查

正式測量前，在水面靜止處將測量船固定，采用測深儀測量該位置的高程，然后用測深桿量此處的水深，根據(jù)測設(shè)的水面高程求得測桿量測的水下高程，與測深儀量測的高程進(jìn)行比較，滿足《水利水電工程測量規(guī)范(規(guī)劃設(shè)計(jì)階段)》[2]要求后進(jìn)行水下地形采集。

3.4 數(shù)據(jù)采集

在深測儀與RTK設(shè)置、測量工作開始前的檢查完成后，即可按計(jì)劃測線進(jìn)行外業(yè)采集工作。此情況下外業(yè)采集的碎部點(diǎn)均已自動(dòng)完成平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、高程改正，其點(diǎn)位成果均為設(shè)置的平面和高程系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)，可直接提交內(nèi)業(yè)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。

4 數(shù)據(jù)的后處理

數(shù)據(jù)后處理是指利用相應(yīng)配套的數(shù)據(jù)處理軟件(如CASS9.0)對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，形成所需要的地形圖。

5 影響水深測量精度的幾種因素及相應(yīng)對(duì)策

在實(shí)際應(yīng)用無驗(yàn)潮方式進(jìn)行水深測量時(shí)，測量結(jié)果精度會(huì)受船體的搖擺、采樣速率、RTK與測深儀采集數(shù)據(jù)同步時(shí)差及RTK高程的可靠性等因素的影響。為保證水下地形測量精度，在測量過程中應(yīng)進(jìn)行控制或修正。

5.1 船體搖擺姿態(tài)的控制

船體搖擺姿態(tài)的控制主要采取在無風(fēng)或微時(shí)作業(yè)，作業(yè)過程中嚴(yán)格控制船速不超過3～5節(jié)，在拐彎處船要求平穩(wěn)、速度不超過3節(jié)。

5.2 RTK定位數(shù)據(jù)與測深數(shù)據(jù)不同步造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時(shí)采集的精度和密度，定位數(shù)據(jù)的定位時(shí)刻和水深數(shù)據(jù)的測量時(shí)刻的時(shí)間差造成定位延遲。對(duì)于這項(xiàng)誤差在延遲校正中加以修正，修正量采用中海達(dá)公司提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5.3 吃水改正

吃水改正包括靜態(tài)吃水和動(dòng)態(tài)吃水。根據(jù)換能器相對(duì)船體的位置，換能器可按照幾何關(guān)系求解。動(dòng)態(tài)吃水就是要確定作業(yè)船在靜態(tài)吃水的基礎(chǔ)上因航行造成的船體吃水的變化，測量時(shí)采用霍密爾公式計(jì)算船只動(dòng)態(tài)吃水。

5.4 RTK高程可靠性的問題

為了確保作業(yè)無誤，可從采集的數(shù)據(jù)中提取高程數(shù)據(jù)繪制水下等深線，根據(jù)曲線的圓滑程度來分析水下高程有沒有產(chǎn)生個(gè)別跳點(diǎn)，然后使用圓滑修正的方法來修正個(gè)別錯(cuò)誤的點(diǎn)。

6 結(jié)束語

在北京市水庫除險(xiǎn)加固工程測量中，我單位采用中海達(dá)HD370數(shù)字測深儀和Trimble GPS-RTK較成功地完成了水下地形測量，實(shí)現(xiàn)了不同廠家生產(chǎn)的測深儀和GPS-RTK的結(jié)合，較好地完成了兩種設(shè)備的互相配合，為以后類似的工程測量項(xiàng)目積累了豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。

[1]CH/T 2009-2010，全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量(RTK)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]SL/197-97，水利水電工程測量規(guī)范(規(guī)劃設(shè)計(jì)階段)[S].北京：中國水利水電出版社，1997.

[3]中海達(dá)HD370數(shù)字測深儀產(chǎn)品說明書.

[4]王廣，郭秉義，李洪濤.差分GPS定位技術(shù)應(yīng)用[M ].北京：電子工業(yè)出版社，1996.