基于數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)的水下地形測(cè)量研究

孫健 張濤 徐娜

[摘要]與普通地形測(cè)量相比，水下地形測(cè)量流程復(fù)雜。提出了使用數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量的方法。數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)由定位系統(tǒng)、測(cè)深系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制集成系統(tǒng)等組成，其中定位系統(tǒng)一般采用GNSS-RTK，測(cè)量平面位置；測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水深測(cè)量；測(cè)量船是整個(gè)系統(tǒng)的載體。工程實(shí)踐證明，采用數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量，工作效率高，精度可以滿足規(guī)范的要求。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字測(cè)深系統(tǒng) 水下地形測(cè)量 GNSS-RTK 測(cè)深儀

[中圖分類號(hào)] P2 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-9-188-2

1引言

水下地形測(cè)量是水利工程設(shè)計(jì)、施工的依據(jù)。傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量常采用測(cè)深桿、測(cè)深錘、測(cè)深繩結(jié)合全站儀進(jìn)行測(cè)量，可以滿足匯水面積小、水流速度慢、深度淺水域要求。但是對(duì)于水深較深的大面積水域，該方法難以滿足測(cè)量的要求。隨著GNSS-RTK定位技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)的集成，為大面積水下地形測(cè)量提供了新的方法。

2數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)

2.1數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)的組成和工作原理

數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)由GNSS RTK、數(shù)字測(cè)深儀、計(jì)算機(jī)控制集成系統(tǒng)三部分組成，見(jiàn)圖1。

水下地形測(cè)量時(shí)，將GNSS RTK流動(dòng)站和測(cè)深儀連接在一起，GNSS RTK接收機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量得到所在位置的坐標(biāo)信息，根據(jù)吃水深度和測(cè)深儀測(cè)得的水深即可計(jì)算出總體水深，結(jié)合水面高程計(jì)算該處水底高程。將GNSS RTK測(cè)量得到的平面坐標(biāo)與水底高程整合，即可得到水深點(diǎn)的三維坐標(biāo)，完成水深測(cè)量工作。

2.2 GNSS RTK技術(shù)簡(jiǎn)介

實(shí)施動(dòng)態(tài)差分（Real - time kinematic，RTK）系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)鏈、移動(dòng)站三部分組成。使用GNSS RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，基準(zhǔn)站連續(xù)觀測(cè)，將觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈（移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)或電臺(tái)）傳送給移動(dòng)站，移動(dòng)站同時(shí)接收來(lái)自衛(wèi)星和基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，在手簿上組成差分觀測(cè)值實(shí)時(shí)處理，獲得觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在水下地形測(cè)量項(xiàng)目中，GNSS RTK主要用于測(cè)量水下地形點(diǎn)的平面位置及水面高程，其精度直接決定了水下地形測(cè)量的精度。

2.3數(shù)字測(cè)深儀

使用數(shù)字測(cè)深儀進(jìn)行水深測(cè)量時(shí)，測(cè)深儀發(fā)出超聲波，超聲波在水中傳播然后被水底反射，根據(jù)超聲波在水中的傳播速度和時(shí)間，從而計(jì)算出水的深度。數(shù)字測(cè)深儀的使用，極大的方便了水下地形測(cè)量工作，提高了測(cè)量的效率和精度?？梢钥闯?，數(shù)字測(cè)深儀是水深測(cè)量的關(guān)鍵，但是數(shù)字測(cè)深儀的姿態(tài)、水底水藻、時(shí)間計(jì)算等因素直接影響水深測(cè)量的精度，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要做好質(zhì)量控制工作。

2.4計(jì)算機(jī)控制集成系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制集成系統(tǒng)是將數(shù)字測(cè)深儀與 GNSS RTK連接起來(lái)并組成統(tǒng)一整體的載體，它將GNSS RTK的定位數(shù)據(jù)與數(shù)字測(cè)深儀的測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、取舍、計(jì)算、存儲(chǔ)， 將所測(cè)的數(shù)據(jù)輸入繪圖軟件生成數(shù)字水下地形圖。

3工程實(shí)踐

3.1測(cè)量準(zhǔn)備工作

（1）水下地形測(cè)量設(shè)計(jì)。根據(jù)水域的特點(diǎn)，進(jìn)行測(cè)繪網(wǎng)格設(shè)計(jì)，包括測(cè)線位置及間隔距離、測(cè)線上測(cè)深點(diǎn)的間隔等。在水下地形測(cè)量時(shí)沿設(shè)計(jì)好的測(cè)線進(jìn)行測(cè)量。

（2）GNSS RTK基準(zhǔn)站的架設(shè)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取。選擇地勢(shì)較高、上空開(kāi)闊無(wú)遮擋、遠(yuǎn)離電磁干擾的位置架設(shè)基準(zhǔn)站，并進(jìn)行設(shè)置。由于GNSS RTK測(cè)量得到的是WGS84坐標(biāo)系，而工程建設(shè)采用1980西安坐標(biāo)系或獨(dú)立坐標(biāo)系，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。到已知控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)校正，并經(jīng)檢核無(wú)誤后，方可開(kāi)始測(cè)量。

GNSS RTK校正后已知點(diǎn)精度檢查結(jié)果為平面位置偏差1.8cm，高程-2.2cm，可以滿足地形圖測(cè)量的精度要求。

3.2水底地形數(shù)據(jù)采集

檢查GNSS RTK流動(dòng)站工作狀態(tài)，查看測(cè)深儀地理坐標(biāo)、水深、聲速和波浪換能器吃水修正等參數(shù)，開(kāi)始水下地形測(cè)量工作。

開(kāi)始測(cè)量后，監(jiān)視計(jì)算機(jī)顯示屏和外接顯示器上顯示的測(cè)船的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)點(diǎn)位及水深數(shù)據(jù)，控制測(cè)船按預(yù)設(shè)的航速和測(cè)線航行。在施測(cè)過(guò)程中，利用GNSS RTK技術(shù)快速定位，指導(dǎo)測(cè)深儀根據(jù)設(shè)計(jì)好的間距進(jìn)行觸發(fā)測(cè)深，按測(cè)圖要求同步采集水下地形測(cè)點(diǎn)的平面位置與高程數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在文本文件中，完成湖底地形數(shù)據(jù)采集。

測(cè)量完成后，選擇46個(gè)水深點(diǎn)采用測(cè)深桿、測(cè)深繩等方式進(jìn)行精度驗(yàn)證，精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

可以看出，本次水深測(cè)量的精度較高，檢查點(diǎn)中有36點(diǎn)測(cè)量誤差在10-20cm，約占總數(shù)的78%，完全可以滿足GB50026-2007《工程測(cè)量規(guī)范》的精度要求。

3.3圖件整飾與檢查驗(yàn)收

將GNSS RTK測(cè)量得到的平面數(shù)據(jù)與水底高程整合，得到水深點(diǎn)的三維坐標(biāo)。將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)展繪到南方CASS、清華山維等繪圖軟件中，按照GB/T20257.1-2007《國(guó)家基本比例尺地圖圖式第一部分：1：500 1：1000 1：2000地形圖圖式》的要求繪制地形圖，然后進(jìn)行資料整理，編寫(xiě)技術(shù)總結(jié)和檢查報(bào)告。測(cè)量及繪圖過(guò)程中嚴(yán)格的執(zhí)行“兩級(jí)檢查，一級(jí)驗(yàn)收”制度。

4水下地形測(cè)量的質(zhì)量控制措施

根據(jù)數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)原理可以得知，水下地形測(cè)量的精度主要受到GNSS RTK精度、數(shù)字測(cè)深儀測(cè)深精度、GNSS RTK平面坐標(biāo)與水深集成精度影響，需要從這三個(gè)方面做好質(zhì)量控制。

（1）GNSS RTK測(cè)量精度質(zhì)量控制措施。GNSS RTK測(cè)量精度主要受到基準(zhǔn)站因素、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、作業(yè)條件及流動(dòng)站作業(yè)環(huán)境的影響?；鶞?zhǔn)站和流動(dòng)站需要滿足GNSS RTK的測(cè)量要求，盡量避開(kāi)高大的建筑物，電磁干擾等因素；流動(dòng)站的作業(yè)半徑需要控制在5km以內(nèi)，取得固定解后方可開(kāi)始測(cè)量；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取需要盡可能準(zhǔn)確，經(jīng)精度檢查滿足要求后方可使用。這樣才能保證GNSS RTK的測(cè)量精度。

（2）數(shù)字測(cè)深儀精度質(zhì)量控制措施。采用數(shù)字測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要保證測(cè)深儀的參數(shù)設(shè)置正確，盡可能保證測(cè)深儀測(cè)量姿態(tài)端正，避免因?yàn)闇y(cè)深儀傾斜導(dǎo)致測(cè)量精度偏低，直接影響水下地形測(cè)量的高程精度。

（3）GNSS RTK平面坐標(biāo)與水深集成精度質(zhì)量控制措施。盡可能選擇在風(fēng)浪較為平靜的時(shí)間段進(jìn)行觀測(cè)。流動(dòng)站接收機(jī)天線保持合適的高度以保證GNSS信號(hào)不受船體遮擋，流動(dòng)站接收機(jī)姿態(tài)要保持垂直，以免因傾斜造成較大平面位置誤差。另外，水下地形測(cè)量時(shí)GNSS的天線與數(shù)字測(cè)深儀應(yīng)集成在同一位置，以便于高程數(shù)據(jù)計(jì)算，并避免因天線偏差改正對(duì)測(cè)量精度的影響。集成GNSS RTK數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)與數(shù)字測(cè)深儀的時(shí)標(biāo)同步，避免GNSS RTK所測(cè)的平面位置與測(cè)深位置不一致造成的精度損失。

5結(jié)論

在水下地形測(cè)量時(shí)，采用由GNSS RTK、數(shù)字測(cè)深儀、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集成的數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)，提高了測(cè)量效率，保證了測(cè)量精度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)檢查，其精度可以滿足GB50026-2007《工程測(cè)量規(guī)范》的要求。但是，在進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)，也需要做好質(zhì)量控制措施，盡可能的降低GNSS RTK測(cè)量誤差，數(shù)字測(cè)深儀測(cè)量誤差，GNSS RTK與數(shù)字測(cè)深儀測(cè)量集成誤差，做好質(zhì)量控制措施，保證測(cè)量精度。當(dāng)然隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的快速發(fā)展，CORS、多波束測(cè)深系統(tǒng)的出現(xiàn)，將會(huì)給水下地形測(cè)量帶來(lái)更多的方便。