基于CORS與多波束的水下地形測量系統(tǒng)應(yīng)用研究

任洪玉

摘 要：由集成GNSS導(dǎo)航、多源傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊等構(gòu)成的多波束測量系統(tǒng)，在海底地質(zhì)調(diào)查、航道測繪等方面，極大提升了數(shù)據(jù)效率。伴隨CORS定位技術(shù)的發(fā)展，研究利用差分定位與測掃聲吶定位的方法，對優(yōu)化航道一體化測繪的成果精度，具有重要的科學(xué)意義。

關(guān)鍵詞：多波束測深;CORS差分定位;水下地形采集

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.123

利用單波束、多波束、CORS技術(shù)等手段，獲取海洋底質(zhì)、河流水系等地下與地表沿岸地形數(shù)據(jù)資料，對維護自然資源與水系開發(fā)的科學(xué)性至關(guān)重要，探究CORS與多波束測深聯(lián)合應(yīng)用，有助于提升航道測量的數(shù)字化水平。

1 CORS差分定位的概念

多基準(zhǔn)站差分定位服務(wù)系統(tǒng)（Continuously Operating Reference Systerm，CORS），即以傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK定位為基礎(chǔ)，利用有限WLAN與無線GPRS/3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)，建立起覆蓋一定區(qū)域范圍的若干（N≥3）GNSS參考基準(zhǔn)站，采用UPS不間斷供電方式，同步進(jìn)行定位衛(wèi)星連續(xù)觀測，構(gòu)建起全天候、大區(qū)域定位服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，并利用精密GNSS星歷與電離層、對流層模型解算系統(tǒng)誤差，削減電離層、對流層對定位測量精度的影響，提升數(shù)據(jù)觀測的精準(zhǔn)度。

2 CORS與多波束的水下地形測量工藝流程

從CORS差分定位原理來分析，由多個連續(xù)基準(zhǔn)站，持續(xù)跟蹤衛(wèi)星觀測星歷信息，建立起區(qū)域改正模型，并通過VPN網(wǎng)絡(luò)來不間斷播發(fā)RTCM或CMR格式衛(wèi)星差分信號，用以校正流動站終端接收機在測量過程中所包含的電離層、對流層、衛(wèi)星鐘差等系統(tǒng)誤差，實時動態(tài)測量精度平面2cm、高程3cm;針對部分精度要求較高的工程測量項目，服務(wù)器可提供基準(zhǔn)站靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行事后差分解算，該模式可達(dá)mm級測量精度。

多波束采用超聲探測的原理，利用換能器播發(fā)聲波信號，聲波經(jīng)水體底部物體反射或折射再次回到換能器，通過測定信號在水體內(nèi)的往返傳播時間來解析水體深度。多波束換能器，即聲吶陣列測深掃描儀，以具備一定指向性窄波束為信號，換能器分組多以正交形式布設(shè)，瞬時獲取航向正交面水深數(shù)據(jù)來探測地形起伏狀態(tài)，完成水下定位作業(yè);當(dāng)開展河流沿岸地形測繪、航道水面定位時，可利用CORS差分定位技術(shù)，實時快速開展數(shù)據(jù)采集工作，將測量船定位設(shè)備接入CORS網(wǎng)絡(luò)，利用省際或地域CORS基準(zhǔn)站差分信息，高精度獲取換能器改正后的動態(tài)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，且精度不受誤差傳播累積的影響，均可在CORS信號覆蓋區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)水上cm級定位，結(jié)合IMU慣性導(dǎo)航終端與多波束測掃設(shè)備開展聯(lián)合測繪。

3 基于CORS與多波束的水下地形測量系統(tǒng)工程應(yīng)用

為探究CORS與多波束聯(lián)合作業(yè)，以某航道1：2000地形圖測繪作為工程案例進(jìn)行分析。為摸清航道淤積情況確保水運安全，現(xiàn)對其采集水下地形信息，并與水系沿岸帶狀地形圖進(jìn)行拼接，為河道清淤、航線管理提供數(shù)據(jù)支撐。

針對航道水系平均水深15m、凈空條件良好（高度角15°無遮擋）的情況，測量中采用CORS-RTK與多波束測深的方法開展，選擇水流方向作為測線方向，開角設(shè)定120°，航線重疊度20%，條帶寬設(shè)定為3.5H（H為水深）;測量船GNSS終端接入CORS系統(tǒng)，采用基于VRS虛擬參考定位的方式進(jìn)行快速定位，并輸入布爾沙七參數(shù)（3旋轉(zhuǎn)、3平移和1尺度參數(shù)），轉(zhuǎn)換模型如下：

通過布爾沙七參數(shù)將坐標(biāo)輸出成果，由WGS-84系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至地方坐標(biāo)系統(tǒng)，以便與沿岸帶狀地形空間拼接，同時CORS定位聯(lián)合多波束測深數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無驗潮水下地形數(shù)據(jù)采集。

多波束測深終端自動實時將聲速改正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，經(jīng)網(wǎng)格化處理獲取等深線圖，并可生成點云數(shù)據(jù)，當(dāng)點云分布均勻且稀疏的情況下，表征水下地形相對平整，也可生產(chǎn)剖面數(shù)據(jù)，科學(xué)查看航道斷面信息等。工程中部分航道河段進(jìn)行了傳統(tǒng)驗潮測繪，以對CORS與多波束測深精度進(jìn)行可靠性檢驗，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示（單位：m）：

4 結(jié)語

綜上所述，通過與傳統(tǒng)驗潮方式進(jìn)行精度對比試驗，CORS-多波束聯(lián)合測量方式在水下測繪中的精度，完全達(dá)到相關(guān)指標(biāo)要求，且數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差極小，測量精度收斂性與可靠性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，作為水利工程施工、水系資源開發(fā)與保護的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，極大提升了海洋底質(zhì)、河流水系等基礎(chǔ)資料的獲取效率與成果質(zhì)量。

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