淺談GPS在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

歐千

摘要：文章介紹了利用GPS-RTK技術(shù)的與數(shù)字測(cè)深儀聯(lián)合進(jìn)行水下地形測(cè)量的工作原理，以及其在疏浚測(cè)量、水下淤積測(cè)量等具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS-RTK；回聲測(cè)深儀；水下地形測(cè)量

在水運(yùn)工程中，水下地形測(cè)繪具有重要的意義。近幾年來， 隨著GPS載波相位差分技術(shù)（ RTK）的發(fā)展， GPS 技術(shù)越來越成熟， 已被廣泛應(yīng)用到數(shù)字化測(cè)圖中。有時(shí)候水運(yùn)工程建設(shè)初期， 由于所處測(cè)區(qū)多為山地， 通視困難， 地形復(fù)雜給傳統(tǒng)野外測(cè)繪工作帶來了一定的困難。利用動(dòng)態(tài)GPS定位技術(shù)的優(yōu)越性， 測(cè)圖速度快和精度高， 能消除累積誤差， 操作簡(jiǎn)便， 用人少等優(yōu)勢(shì)取代了原有的平板儀測(cè)圖及全站儀測(cè)圖。工作效率和經(jīng)濟(jì)效益明顯得到大幅度提高。

1、工作原理：

水下地形測(cè)量中，測(cè)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(huì)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(cè)出發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間差來進(jìn)行測(cè)量的。目前我國(guó)大量使用的是單波束回聲測(cè)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(gè)水深數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過連續(xù)測(cè)量、記錄，最后以點(diǎn)連線。另外，如利用單波束回聲儀測(cè)量一個(gè)地區(qū)的水下地形，須先根據(jù)測(cè)圖比例和規(guī)范要求，預(yù)先確定測(cè)點(diǎn)和測(cè)線的間距，再用測(cè)量船逐線逐點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測(cè)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(cè)深儀與GPS技術(shù)相結(jié)合，將GPS流動(dòng)站的天線與測(cè)深儀的換能器安置在同一平面位置， 同時(shí)布置在一條小船上， 保證RTK的數(shù)據(jù)與測(cè)深儀數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)絇C， 作業(yè)時(shí)流動(dòng)站根據(jù)基準(zhǔn)站通過電臺(tái)發(fā)送的改正數(shù)實(shí)時(shí)改正自身的測(cè)量值， 獲得點(diǎn)位的厘米級(jí)精度的平面坐標(biāo)并實(shí)時(shí)傳送到PC， 同時(shí)數(shù)字測(cè)深儀獲取該平面位置處的水深數(shù)據(jù)發(fā)送到PC， PC 根據(jù)觀測(cè)的水面高程計(jì)算出該平面位置處水下點(diǎn)的高程坐標(biāo)，與RTK獲得的平面坐標(biāo)一起組成水下點(diǎn)的三維坐標(biāo)。然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字成圖軟件就可以編輯生成需要的水下地形圖。

2. rtk差分模式

rtk（real-time kinematic）作業(yè)使用的儀器為高精度的rtk型gps接收機(jī)。其通常是通過在已知點(diǎn)上自設(shè)基站，通過無(wú)線電臺(tái)傳送差分信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，其測(cè)量精度相對(duì)于起算點(diǎn)可以達(dá)到厘米級(jí)（須鎖定固定解，并靜止幾秒鐘），應(yīng)用十分廣泛。

影響rtk定位精度的主要原因?yàn)榱鲃?dòng)站與基準(zhǔn)站之間的距離，但由于自設(shè)基站一般會(huì)選擇較近的已知點(diǎn)，精度一般都可以滿足水上測(cè)量的需要。rtk模式的缺點(diǎn)為差分信號(hào)的覆蓋范圍較小，且信號(hào)容易受流動(dòng)站附近的樹木建筑物等的遮擋，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的限制。近幾年發(fā)展起來的手機(jī)卡模式，利用中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無(wú)線電臺(tái)來傳遞差分信號(hào)，解決了一部分的信號(hào)傳遞問題。因?yàn)橐苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)帶來的延時(shí)等問題，測(cè)量精度有一定的降低，根據(jù)本公司工程應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)，一般均在10cm以內(nèi)，對(duì)于水下測(cè)量的影響很小。

rtk模式不僅能夠提供平面定位，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)測(cè)量水面高，無(wú)需驗(yàn)潮進(jìn)行水位改正，在15km范圍內(nèi)，高程精度一般可達(dá)到10cm以內(nèi)，在近岸有潮汐的水域作業(yè)具有很大的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于rtk的高精度特性，對(duì)測(cè)量條件的要求也比較高，在有風(fēng)浪的水面作業(yè)或船速較高時(shí)，比較容易出現(xiàn)信號(hào)失鎖的情況。

3 .誤差來源與數(shù)據(jù)處理

3.1誤差來源

水下地形測(cè)量的精度包括平面的定位精度和水下地形點(diǎn)的高程測(cè)量精度。不考慮起始點(diǎn)誤差的影響，測(cè)量精度主要取決于以下3個(gè)方面。

1）高程轉(zhuǎn)換精度2）測(cè)量精度3）其他因素的影響：船體的搖擺、采樣速率、同步時(shí)差及RTK 高程的可靠性等因素造成的誤差的影響， 這些誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RTK 定位誤差。

3.2數(shù)據(jù)處理

1）船體搖擺姿態(tài)的修正

船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進(jìn)行修正， 修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)， 通過專用的測(cè)量軟件接入進(jìn)行修正。

2）采樣速率和延遲造成的誤差

定位數(shù)據(jù)的定位時(shí)刻和水深數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)刻的時(shí)間差造成定位延遲。對(duì)于這項(xiàng)誤差可以在延遲校正中加以修正， 修正量可在斜坡上往返測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到， 也可以采用以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3）RTK 高程可靠性的問題

RTK 高程用于測(cè)量水深， 其可信度問題是倍受關(guān)注的問題。在選擇設(shè)備時(shí)， 應(yīng)盡量選擇大量程、高靈敏度的測(cè)深儀。此在實(shí)際測(cè)量工作中應(yīng)視任務(wù)性質(zhì)的不同而采用不同的測(cè)深設(shè)備為了確保作業(yè)無(wú)誤， 可從采集的數(shù)據(jù)中提取高程信息繪制水位曲線（ 由專用軟件自動(dòng)完成） 。根據(jù)曲線的圓滑程度來分析RT K 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改善個(gè)別錯(cuò)誤的點(diǎn)。

4、GPS在水下地形測(cè)量中應(yīng)用：

4、1、疏浚測(cè)量：

疏浚測(cè)量應(yīng)采用有模擬記錄的單波束回聲測(cè)深儀或多波束測(cè)深系統(tǒng)，在淺水區(qū)宜采用測(cè)深桿或測(cè)深錘；在水底樹林和雜草叢生水域不宜使用回聲測(cè)深儀；淤泥質(zhì)回淤嚴(yán)重水域應(yīng)進(jìn)行適航水深測(cè)量。測(cè)深前測(cè)量船應(yīng)與水位站和定位站校對(duì)時(shí)間。水下地形測(cè)量，應(yīng)根據(jù)天氣、風(fēng)浪、潮汐等情況，合理安排時(shí)間，當(dāng)風(fēng)浪較大，氣候惡劣，影響人身、儀器安全時(shí)，應(yīng)停止測(cè)量。設(shè)置好儀器及坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)之后，應(yīng)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，在校核無(wú)誤后方可進(jìn)行測(cè)量。GPS流動(dòng)站接收機(jī)天線應(yīng)與換能器在同一垂線上，并保證GPS觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量指標(biāo)，如衛(wèi)星數(shù)、高度角、PDOP值等。在確定水下地形測(cè)圖規(guī)格時(shí)，應(yīng)在水深測(cè)量的專用軟件中，先確定水下地形圖的范圍與比例尺，以及坐標(biāo)系統(tǒng)和圖幅等。設(shè)定測(cè)量斷面線時(shí)，應(yīng)將測(cè)量船導(dǎo)航至斷面位置，再按指定的時(shí)間或者間距進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的定位與測(cè)深，并實(shí)時(shí)修正測(cè)量船的航向。

4、2、淤積測(cè)量：

淤積測(cè)量可用GPS 的GO AND STOP動(dòng)態(tài)測(cè)方法定位， 回聲測(cè)深儀測(cè)量水深確定水庫(kù)庫(kù)底點(diǎn)的坐標(biāo)。選擇一靠近待測(cè)測(cè)線的固定站安置固定接收機(jī)，在距其5m 左右選擇一交換天線點(diǎn)安置流動(dòng)接收機(jī)。沿航線方向每隔一定的距離（如100m） 或者根據(jù)水深的變化選擇測(cè)量點(diǎn)每個(gè)點(diǎn)上停船30-60s，接收機(jī)記錄2-4個(gè)歷元數(shù)據(jù)， 同時(shí)記錄水深數(shù)據(jù)。到達(dá)對(duì)岸時(shí)， 在已有的固定點(diǎn)上安置流動(dòng)接收機(jī)， 記錄幾個(gè)歷元數(shù)據(jù)。此方法即使在4-5 級(jí)風(fēng)的情況下，也能取得良好的結(jié)果。

5、結(jié)語(yǔ)：

GPS技術(shù)的應(yīng)用是無(wú)可限量的， 與測(cè)深儀結(jié)合的方法， 已經(jīng)在海上及大型河流的水下地形測(cè)量中得到應(yīng)用，與傳統(tǒng)的測(cè)量方式相比， 具有較大的優(yōu)勢(shì)，特別是在面積較大， 水下地形復(fù)雜， 水深較大的水域， 水下地形測(cè)量簡(jiǎn)單、方便、快速、高效、可以全天候作業(yè)、同時(shí)大大提高了水深的測(cè)量精度。隨著天然氣和石油長(zhǎng)輸管道工程的大型、特大型河流穿越的出現(xiàn)， 其在石油、天然氣工程中也將得到廣泛的應(yīng)用。但受GPS 衛(wèi)星信號(hào)的影響， 目前利用GPSRTK 配合測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量還有一定的局限性， 在遮擋嚴(yán)重的地區(qū)如陡峭的峽谷、河道等地方還不能完全取代傳統(tǒng)的測(cè)量方法， 還必須結(jié)合全站儀進(jìn)行測(cè)量。但隨著GPS RTK 技術(shù)的不斷發(fā)展， 利用GPS RTK 配合測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量將有更加廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)

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