淺談疏浚工程定位測量技術(shù)與應(yīng)用

張明浩

摘要：疏浚工程水下測量基本上均采用“GPS+計(jì)算機(jī)（含數(shù)據(jù)處理軟件）+測深儀”的測量模式。介紹GPS-RTK及數(shù)字測深儀結(jié)合組成的水下地形測量系統(tǒng)的工作原理，利用該系統(tǒng)作業(yè)時的外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的過程，對測量技術(shù)與應(yīng)用做簡單闡述，并總結(jié)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)來指導(dǎo)今后的工作。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù);水下地形測量;外業(yè)施測;測量數(shù)據(jù)后處理

水下地形測量是疏浚工程的重要步驟，其主要包括定位及測深兩大部分。傳統(tǒng)的水下地形測量方法主要是采用經(jīng)緯儀配合測距儀、經(jīng)緯儀交匯、全站儀獲取水下地形點(diǎn)的平面位置，然后利用測深桿法、測量錘法和回聲測深儀法等獲得該處的水深，從而獲得水下點(diǎn)的三維坐標(biāo)。但上述傳統(tǒng)方式容易受儀器精度、距離、天氣、通視及通訊等條件的限制，工作效率很低。由于受水流、測量船體的非線性運(yùn)動以及測量人員的熟練程度和配合因素的影響，斷面點(diǎn)定位精度不高，嚴(yán)重影響斷面測量的質(zhì)量。近年來隨著GPS-RTK技術(shù)的發(fā)展，水下測量技術(shù)取得了相應(yīng)的進(jìn)步，已趨于成熟。GPS-RTK配合測深儀技術(shù)簡單、方便、快速、高效、可以全天候作業(yè)、提高測量精度，適用于面積較大、地形復(fù)雜、較深的水域，在疏浚工程中起到了舉足輕重的作用

一、GPS-RTK配合測深儀水下地形定位測量技術(shù)原理

對于疏浚工程，水下地形測量就是測量水底表面高程，其測量方法基于GPS-RTK技術(shù)和數(shù)字測深技術(shù)的原理。目前水上定位基本采用RTK、RTD、CORS等技術(shù)。一套GPS、測深儀器、手提電腦和應(yīng)用軟件就組成了一套完整的水下測量設(shè)備。以RTK定位模式為例，水下地形測量包括以下幾個部分：

1.水下地形測量的軟硬件配置為：RTK測量基準(zhǔn)站、GPS流動站、測量船、測深設(shè)備、海洋測量軟件、計(jì)算機(jī)、電源等，如圖所示。

水下測量軟硬件配置圖

2.測區(qū)控制點(diǎn)成果收集、分析，收集分析測區(qū)控制點(diǎn)成果，包括平面、高程系統(tǒng)、等級、控制點(diǎn)的精度儲備等。

3.GPS-RTK技術(shù)及測深設(shè)備的使用

GPS-RTK與數(shù)字測深儀組合成一個水下地形測量系統(tǒng)，來獲取水下地形點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。其工作原理是：將GPS流動站的天線與測深儀的換能器安置在同一平面位置，同時布置在一條小船上，保證RTK的數(shù)據(jù)與測深儀的數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)絇C。作業(yè)時流動站根據(jù)基準(zhǔn)站通過電臺發(fā)送的改正數(shù)據(jù)實(shí)時改正自身的測量值獲得點(diǎn)位的厘米級精度的平面坐標(biāo)并實(shí)時傳送到PC，同時數(shù)字測深儀獲取改平面位置處的水深數(shù)據(jù)發(fā)送到PC，PC根據(jù)觀測的水面高程計(jì)算出該平面位置處水下點(diǎn)位的高程坐標(biāo)，與RTK獲得的平面坐標(biāo)一起組成水下點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。

水底三維測量見下圖示：Ht為GPS-RTK測定的高程;L為GPS接收機(jī)相位中心至測深儀換能器中心的距離;h為測深儀換能器中心至水底地面的距離。即測深儀所測得的深度，則水底地面高程為

H=Ht-L-h

水底三維測量示意圖

用豎直波束回聲儀進(jìn)行水深測量是目前水深數(shù)據(jù)采集的主要手段，它安裝在測量船底的發(fā)射換能器垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速v在水中傳播到水底后產(chǎn)生回波，回波被接收換能器所接收，發(fā)射聲波與接收回波的時間為t，則換能器表面至水底的距離（水深）為：

Z = 1/2·vt

回聲測深原理示意圖

二、疏浚工程外業(yè)施測

1.求解測區(qū)坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換關(guān)系與設(shè)備的初始化設(shè)置

觀測前先對已知等級控制點(diǎn)進(jìn)行校正，以求出WGS84坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)。GPS流動站設(shè)置船臺上，測深儀主機(jī)通過連接線與GPS接收機(jī)相連，在測深儀軟件中，正確輸入當(dāng)?shù)豔GS84坐標(biāo)系與所采用當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2.設(shè)備安裝

測深儀換能器安裝部位選擇在距離測量船首的1/3～1/2船長處，換能器放入水中的深度大致在0.5～1.2m范圍內(nèi)。GPS天線就安裝在換能器安裝桿的頂部，這樣定位的坐標(biāo)與測深位置為同一位置。測深儀主機(jī)放在駕駛倉中，通過數(shù)據(jù)線與換能器相連，再利用HD-27隨機(jī)海洋測量軟件，把GPS連到測深儀后面的串口（COM1或COM2）上，正確設(shè)置好換能器吃水深度、GPS天線中心到水面的距離、聲速等各類參數(shù)。

3.測深儀與GPS-RTK聯(lián)合數(shù)據(jù)采集

測深軟件獲取水深值由測量軟件直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)零延遲傳送，水深和定位達(dá)到了同步。左邊窗口為測深儀窗口，在測深時，系統(tǒng)開始發(fā)射和接受，并顯示回聲圖像，水深輸出口也有相應(yīng)格式的水深輸出，輸入文件名，系統(tǒng)會自動根據(jù)日期，生成一個不重復(fù)的文件名。右邊窗口為測量導(dǎo)航窗口，正確設(shè)定好GPS參數(shù)，有效定位解限制（單點(diǎn)定位、時時差分、RTK固定解），一般設(shè)為RTK固定解。開始測量，根據(jù)計(jì)劃指導(dǎo)測量船的航行方向，并同步采集記錄測量數(shù)據(jù)。

三、疏浚工程測量數(shù)據(jù)的后處理

外業(yè)測量要根據(jù)不同的工程項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整，首先對測量的測圖比例的選擇范圍進(jìn)行確定，有時要根據(jù)施工要求以及施工用途對測圖比例尺進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整并說明情況。工程項(xiàng)目的類別及測圖的比例尺要求一般分為以下幾種情況：

[工程項(xiàng)目類別＼&比例尺選擇范圍＼&說明＼&航道＼&1：2000～5000＼&1.所測的斷面間距要滿足質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)的要求＼&港池＼&1：1000～2000＼&2.要考慮到工程的性質(zhì)、規(guī)模大小、設(shè)計(jì)要求及施工類型＼&泊位＼&1：500～1000＼&3.符合底質(zhì)情況對斷面間距的要求＼&吹填區(qū)＼&1：500～2000＼&4.符合工程承包合同的要求及吹填區(qū)的算量要求＼&]

測圖比例尺確定以后就可以到施測區(qū)域進(jìn)行測量作業(yè)。作業(yè)完成執(zhí)行“水深采集取樣”模塊，出現(xiàn)水深編輯圖，打開原始水深文件，出現(xiàn)水深水位線。根據(jù)測量實(shí)際情況對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，以進(jìn)行各類改正并提出粗差。運(yùn)用自動化成圖設(shè)備進(jìn)行出圖，加密出圖不會造成工程量增加，因?yàn)槲覀兂蓤D的測點(diǎn)間距以圖上1cm為宜。

隨著科技的發(fā)展，利用GPS-RTK 配合測深儀進(jìn)行水下地形測量將有更廣闊的前景。只有不斷通過疏浚工程水下測量實(shí)踐，才能積累的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)更好的工藝和方法，指導(dǎo)今后的水下地形測量工作。