GPS—RTK配合測(cè)深儀進(jìn)行水下測(cè)量原理及步驟

郭聰聰

[摘要]本文就RTK測(cè)繪技術(shù)配合回聲測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量的原理、工作方法、注意事項(xiàng)進(jìn)行介紹。

[關(guān)鍵詞]GPS-RTK 回聲測(cè)深儀 水下測(cè)量

[中圖分類(lèi)號(hào)]F407.9 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2015）-8-278-1

隨著水利水電工程的大量建設(shè)，眾多的大型水庫(kù)、特大型河流、海洋的測(cè)量任務(wù)越來(lái)越多。傳統(tǒng)的河流水下地形測(cè)量是在岸邊通視條件良好的圖根控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，用全站儀觀(guān)測(cè)船體的方位，通過(guò)計(jì)算船體的平面位置，再利用靜水水面高程與船體的水深來(lái)求得測(cè)量點(diǎn)的水下高程。這種測(cè)量方法顯然是把平面位置測(cè)量和水深測(cè)量是分開(kāi)進(jìn)行的，測(cè)量精度、效率都不能得到很好的保障。

1測(cè)深儀種類(lèi)

測(cè)深儀就是測(cè)量水深的儀器或裝置。有聲學(xué)、激光、壓力、電磁式測(cè)深儀，以及綱纜等機(jī)械測(cè)深裝置，較常用的是回聲測(cè)深儀，利用聲波反射的信息測(cè)量水深的儀器。其中有一類(lèi)超聲波測(cè)深儀，所使用的聲波頻率在2萬(wàn)赫以上回聲測(cè)深儀的問(wèn)世，使海深測(cè)量技術(shù)發(fā)生了根本性的變革。目前已有升沉補(bǔ)償測(cè)深儀、拖曳式測(cè)深儀、多波束測(cè)深儀等多種不同類(lèi)型的測(cè)深儀器，這些都是由于海洋勘探的需要而發(fā)展起來(lái)的設(shè)備。

人們根據(jù)工作深度的不同，設(shè)計(jì)制造了大小不同的測(cè)深儀器。小型測(cè)深儀的工作頻率在100千赫茲左右，換能器尺寸較小，可在小艇上使用，用于測(cè)量幾十米到幾百米水深的海洋深度。而大型測(cè)深儀的工作頻率為數(shù)千赫茲左右，換能器尺寸較大，可測(cè)量深達(dá)10000米的世界海洋最深處的水深。

此外，還有一種雙頻測(cè)深儀。所謂雙頻測(cè)深儀就是指能用高、低兩種不同頻率工作的測(cè)深儀器。這種測(cè)深儀適用于測(cè)量沉積有稀泥的航道，它能用較低的工作頻率探測(cè)較硬的真海底，或用較高的工作頻率探測(cè)稀泥表面。

現(xiàn)在，回聲測(cè)深儀的顯示、記錄方式也有多種不同類(lèi)型。近代測(cè)深儀除用放電或熱敏紙記錄器記錄外，還有數(shù)字顯示及存儲(chǔ)，甚至可以和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)而自動(dòng)繪制海底地形圖等多種不同方式。

2工作原理

2.1回聲探測(cè)設(shè)備是最早的一類(lèi)水下聲學(xué)儀器，這種設(shè)備得到了廣泛地應(yīng)用

所有這樣的設(shè)備都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：它們都利用一組發(fā)射換能器在水下發(fā)射聲波，使聲波沿海水介質(zhì)傳播，直到碰到目標(biāo)后再被反射回來(lái)，反射回來(lái)的聲波被接收換能器接收。然后再由聲納員或計(jì)算機(jī)處理收到的信號(hào)，進(jìn)而確定目標(biāo)的參數(shù)和類(lèi)型。

2.2GPS-RTK結(jié)合測(cè)深儀水下地形測(cè)量原理

GPS-RTK系統(tǒng)是由基準(zhǔn)站、若干個(gè)GPS接收機(jī)、無(wú)線(xiàn)電發(fā)射裝置、接收天線(xiàn)、直流電源等組成。在基準(zhǔn)站上安置1臺(tái)接收機(jī)為參考站， 對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀(guān)測(cè)，并將其觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)站信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)解算出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及其精度（即基準(zhǔn)站和流動(dòng)站坐標(biāo)差△X、△Y、△H，加上基準(zhǔn)坐標(biāo)得到的每個(gè)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)得出流動(dòng)站每個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y和海拔高H）。

GPS-RTK結(jié)合回聲測(cè)深儀是將GPS測(cè)量天線(xiàn)直接安裝在測(cè)深儀換能器的正上方，這樣可以保證在測(cè)量的過(guò)程中，GPS測(cè)量的點(diǎn)位與測(cè)深儀測(cè)量的水下點(diǎn)位在同一條鉛垂線(xiàn)上。在測(cè)量過(guò)程中，在GPS測(cè)定換能器的坐標(biāo)、高程的同時(shí)，測(cè)深儀 測(cè)定了水下點(diǎn)位的水深，將GPS測(cè)量的高程減去測(cè)深儀測(cè)量的水深，得到水下點(diǎn)位的坐標(biāo)與高程。則水下點(diǎn)位的高H公式為H=H1-H2（式中：H為水下定位點(diǎn)高程；H1為GPS測(cè)得換能器底部高程；H2為換能器以下部分水深）。其操作流程是：

（1）任務(wù)建立，在GPS手簿上建立新任務(wù)，坐標(biāo)系一般用WGS84、北京五四坐標(biāo)、現(xiàn)在國(guó)家提倡CGCS2000坐標(biāo)。選定當(dāng)?shù)刈游缇€(xiàn)，用流動(dòng)站測(cè)量測(cè)區(qū)的已布置好的控制點(diǎn)，求出GPS的矯正參數(shù)。（2）船上工作，將測(cè)深儀固定在船上，將測(cè)深儀的換能器牢固的安置在船的旁邊，盡量遠(yuǎn)離船的發(fā)動(dòng)機(jī)，以免在發(fā)動(dòng)機(jī)附近的震動(dòng)與開(kāi)動(dòng)過(guò)程中葉輪產(chǎn)生的氣泡對(duì)測(cè)深儀造成影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或暫時(shí)不能測(cè)量數(shù)據(jù)。換能器盡量安裝在船頭的位置，放置于水面下30～40cm。 （3）將GPS與測(cè)深儀的換能器相連接，并保證GPS接收器和換能器在同一鉛垂線(xiàn)上。（4）在測(cè)區(qū)范圍尋找水流緩慢區(qū)域，水深較淺的進(jìn)行開(kāi)始測(cè)量前的數(shù)據(jù)比對(duì)工作，利用人工測(cè)量的水深與測(cè)深儀測(cè)量的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)比對(duì)結(jié)果一致時(shí)，在開(kāi)始測(cè)量。（5）必要的話(huà)，可以在cad圖紙上勾畫(huà)出測(cè)量路線(xiàn)，然后將路線(xiàn)圖另存為dxf格式，導(dǎo)入GPS手簿中，測(cè)量船根據(jù)手簿中的測(cè)量圖導(dǎo)航圖測(cè)量。

3優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的水下測(cè)量模式的缺點(diǎn)其實(shí)在本文引言部分已經(jīng)提到，這里不再重復(fù)。與傳統(tǒng)的水下測(cè)量模式相比較，GPS結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）具有較高的定位精度。GPS結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量模式進(jìn)行測(cè)量時(shí)其精度可以達(dá)到厘米級(jí)，要比傳統(tǒng)的水下測(cè)量模式高一個(gè)級(jí)別；（2）具有較高的工作效率。傳統(tǒng)的水下測(cè)量是一個(gè)人員密集型工作，而GPS結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量模式完成整套數(shù)據(jù)采集工作只需3個(gè)人就可以，并且其還能夠根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行補(bǔ)測(cè)；（3）水面變化但是水下地形點(diǎn)高程是不受影響的，其獲取可以通過(guò)設(shè)置直接實(shí)現(xiàn)。而傳統(tǒng)的水下測(cè)量模式隨著水面變化期高程也會(huì)變化，這樣處理起來(lái)比較困難，而且也影響測(cè)量精度；（4）GPS結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量模式其工作是不受環(huán)境和時(shí)間限制的，可以實(shí)現(xiàn)全天候的作業(yè)。

4注意事項(xiàng)

（1）在數(shù)據(jù)采集的時(shí)刻，要保證船體的不能傾斜，如果船體傾斜，則會(huì)對(duì)測(cè)深儀的水深測(cè)量、GPS的定位位置與測(cè)深儀測(cè)量水下點(diǎn)位位置都產(chǎn)生偏差。在水流較緩的河流中，可以減慢船只的行使速度，保證船體的水平；對(duì)于河流流速較大，則最好采用船體自身質(zhì)量大的船只，也能很好的保持船只的水平。

（2）測(cè)深儀工作前需保證GPS天線(xiàn)到換能器的正確高差。

（3）基準(zhǔn)站需架設(shè)在空曠無(wú)遮擋的地方，保證衛(wèi)星信號(hào)的正常接收。

（4）流動(dòng)站必須是在固定解的情況下才可以進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量前必須對(duì)GPS進(jìn)行校核，保證測(cè)量成果的精度。

5結(jié)論

由于GPS-RTK技術(shù)測(cè)量不受時(shí)間，天氣的影響，如何進(jìn)行快速精準(zhǔn)的水下測(cè)量成為我們今后研究的重大課題，尤其是對(duì)深水海底的測(cè)量，要保證精度，對(duì)GPS和測(cè)深儀提出了更高的要求，這就要求我們不斷的創(chuàng)新不斷的進(jìn)步，對(duì)我們測(cè)繪人員來(lái)說(shuō)也是一種新的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉忠強(qiáng)，楊清臣.GPS RTK配合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 吉林水利. 2010（11）.