數(shù)字定位測深系統(tǒng)在復(fù)雜水域水下地形觀測中的應(yīng)用

黃春華

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚州 225200）

0 引言

水下地形測量是測量水下陸地的起伏形態(tài)和地物的工作，其特點是測量內(nèi)容多、精度要求高、顯示內(nèi)容詳細(xì)［1］。水下地形測量的發(fā)展是和現(xiàn)代觀測手段的不斷完善緊密相關(guān)的。數(shù)字測深技術(shù)的發(fā)展為實時獲取水下三維信息和實現(xiàn)水下自動化地形測繪提供了很好的條件。應(yīng)用GPS 技術(shù)不但可以進(jìn)行平面位置的精確定位，而且還可用來進(jìn)行水面高程的實時確定。將測深儀與GPS 技術(shù)相結(jié)合，利用現(xiàn)有的導(dǎo)航測量軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件組成數(shù)字定位測深及成圖系統(tǒng)，在外業(yè)的水深測量、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)采集過程中可以完全實現(xiàn)自動化觀測，配合水深測量數(shù)據(jù)后處理軟件將大大提高水深測量的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。江都水利樞紐工程位于江蘇省揚州市江都區(qū)境內(nèi)，樞紐四座抽水站下游連接新通揚運河及長江夾江，上游為高水河，是南水北調(diào)東線工程的源頭，工程作用非常重要。由于長江夾江、輸水河道及多座抽水站引河相互交織，水面形狀縱橫交錯，使得工程上下游水面分布較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)方法觀測有較大困難，因此，迫切需要采用一種先進(jìn)的方法對上、下游河道進(jìn)行觀測，以保證工程的安全運行。江蘇省江都水利工程管理處采用GPS 與測深儀結(jié)合的數(shù)字定位測深系統(tǒng)進(jìn)行觀測，較好地解決了上述問題。

1 系統(tǒng)簡介

數(shù)字定位測深系統(tǒng)由GPS 系統(tǒng)與超聲波測深儀系統(tǒng)組合而成。

GPS 系統(tǒng)（Global Positioning System）是美國從20 世紀(jì)70年代開始研制的用于軍事部門的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS 空間衛(wèi)星由21 顆工作衛(wèi)星和3 顆在軌備用衛(wèi)星組成，24 顆衛(wèi)星均勻分布在軌道內(nèi)。衛(wèi)星用無線電L 波段的兩個載波向地面用戶不間斷地提供導(dǎo)航定位信號，定位信號中含有衛(wèi)星位置的信息，地面接收站根據(jù)衛(wèi)星的位置信息就可以解算出地面定位點坐標(biāo)，如圖1。

超聲波測深儀系統(tǒng)，是采用超聲波在不同距離上的回聲時間差計算水深，20 kHz 以上的聲波稱為超聲波（ultrasonic），因其頻率高、抗干擾性好，被水聲儀器廣泛利用。超聲波在水中傳播速度是恒速，通過測量超聲波往返水下地面的時間，從而得到水深，如圖2。水深由以下公式得到：

式中：

h—船底到河底的垂直距離；

D—船舶吃水深度。

使S→0，則S/2→0

將超聲波在水中的速度C 看成是常數(shù)（1500），換能器的基線S=0，通過測量超聲波往返河底時間t，可計算得到水深h。

2 數(shù)字定位測深系統(tǒng)作業(yè)流程

利用GPS 系統(tǒng)與超聲波測深儀系統(tǒng)進(jìn)行水下地形圖測繪的作業(yè)步驟主要包括以下幾個方面［2］。

圖1 GPS 定位原理圖

圖2 測深示意圖

2.1 基準(zhǔn)站架設(shè)

將GPS 基準(zhǔn)站架設(shè)在已知控制點上，設(shè)置參考站為RTK 模式，設(shè)置好基準(zhǔn)點、已知坐標(biāo)、天線及無線電臺參數(shù)等，啟動基準(zhǔn)站。完成后即可得到發(fā)射信號的基準(zhǔn)站。

2.2 設(shè)置流動站

在測船上安裝好流動站GPS 天線、無線電接收天線等，啟動流動站、測量手簿并開始RTK 測量。當(dāng)跟蹤的衛(wèi)星超過4 顆并接收到無線差分電信號后，進(jìn)行初始化，當(dāng)解類型為“固定解”時便可精確定位。

2.3 檢測

將計算機(jī)與流動站GPS 接收機(jī)、測深儀、顯示器等連接好，啟動導(dǎo)航軟件和測深儀，打開設(shè)計好的測區(qū)文件及計劃線，開始測量。導(dǎo)航信息窗口中顯示出定位信息和水深信息，定位信息與測量手簿中的定位結(jié)果應(yīng)一致。同時，將測深儀所測水深與實際水深比較可以得到各種修正參數(shù)。

2.4 水下地形施測

將修正參數(shù)輸入船上水深測量系統(tǒng)，開動測量船，在計算機(jī)顯示屏和外接顯示器上顯示出測船的示意圖像、測船的實時動態(tài)點位及水深數(shù)據(jù)，即可控制測船按預(yù)設(shè)的航道或計劃線航行。在施測過程中，軟件將按測圖要求等時間（或等距離）同步采集水下地形測點的平面位置與水深數(shù)據(jù)，并儲存在文本文件中。

2.5 數(shù)據(jù)處理

野外施測結(jié)束后，在室內(nèi)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括水深取樣、綜合改正輸出、數(shù)據(jù)合并、格式轉(zhuǎn)換等，按照數(shù)字成圖軟件要求的格式形成水下地形點數(shù)據(jù)文件，由南方CASS 軟件完成展點、等深線生成、等深線注記等工作，保存圖形，并以需要的比例輸出圖形，從而完成水下地形的測繪工作。

3 數(shù)字定位測深系統(tǒng)測量水下地形實例

2014年11月，我們在江都水利樞紐采用數(shù)字定位測深系統(tǒng)進(jìn)行了水下地形圖測量。江都水利樞紐上、下游引河河道的水域面積約為2.8 km2，由四座抽水站引河及輸水河道交織而成，水面形狀縱橫交錯，如圖3陰影部分所示。

圖3 江都水利樞紐觀測水域

表1 實測部分點x、y、z 坐標(biāo)

采用數(shù)字定位測深系統(tǒng)觀測時，我們先在測區(qū)找到2 個已知坐標(biāo)控制點，通過這兩個控制點在測量水域的周圍建立了一個平面及高程控制網(wǎng)。進(jìn)行水下地形圖測量前，先測量水面的高程。為滿足測量誤差的控制要求，在實際操作中可以將基準(zhǔn)站設(shè)置在一個固定的已知點上，此點必須位置較高，且靠近測區(qū)的幾何中心（我們將基準(zhǔn)站架設(shè)在江都三站廠房頂上）。用2 個已知點求取轉(zhuǎn)換參數(shù)并做檢驗點檢驗，坐標(biāo)無誤后便可進(jìn)行水下地形圖測量工作。測量作業(yè)開始后，小船應(yīng)按照電腦上計劃線以均衡的速度前進(jìn)，由系統(tǒng)自動記錄水下地形點的三維坐標(biāo)（x、y、z），部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1 所示，用南方CASS2008 軟件進(jìn)行數(shù)字成圖，可生成需要的水下地形圖，如圖4。

從實測的數(shù)據(jù)及圖形可以看出，采用數(shù)字定位測深系統(tǒng)采集的水下點位數(shù)據(jù)精度較高，且因為數(shù)據(jù)量大，點位密集，系統(tǒng)點位的連續(xù)變化和均衡性較好，為CASS 軟件的自動成圖提供了極大的方便。

4 實際觀測及數(shù)據(jù)處理注意問題

（1）控制網(wǎng)中的平面高程控制點設(shè)定應(yīng)該注意GPS 測量對測站設(shè)置的要求，如：測站周圍空間應(yīng)視野開闊，高度角15°以上不允許存在影響GPS 信號接收的障礙物；同時要遠(yuǎn)離發(fā)射大功率電磁場的設(shè)備，如：大型變壓器、高壓線、信號塔等；測站應(yīng)遠(yuǎn)離房屋、圍墻、大樹等障礙物，以減少多路徑效應(yīng)；測站應(yīng)設(shè)置在位置相對固定、地面堅實、能夠多次使用的地點，為方便以后觀測，可盡量采用固定附著物，如建筑物的水泥墩、樁等。

（2）根據(jù)《江蘇省水利工程觀測規(guī)程》要求，合理確定地形點采集的密度。按照水下地形測量規(guī)范，測量船只應(yīng)盡量測遍測區(qū)所有位置，船只航跡線間距應(yīng)控制在10～15 m 之間。為滿足CASS 軟件成圖要求，應(yīng)每隔2 m 觀測一點，以提高數(shù)據(jù)信息量。對于水下地形變化劇烈區(qū)域，測線、測點、間距的密度要相應(yīng)增加，以便較真實地反映水下地形的變化情況。

（3）每次測量作業(yè)前或作業(yè)結(jié)束后，需將流動站移動至已知點上，校核測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間的誤差，分析兩者的符合程度，以確定本次測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

（4）在水面有風(fēng)浪的情況下，測量船只會前后左右搖動，導(dǎo)致GPS 接收器、換能器和測深儀不能保持在一條垂線上，從而影響定位精度。為有效減少風(fēng)浪對測量精度的影響，必須清楚測船允許的晃動范圍量。無風(fēng)無流速的情況是水下地形測量的最佳時間，這時船只的搖晃幅度是最小的。測深儀在流速較大的情況下將會測出錯誤的水深，應(yīng)該加以注意。

圖4 實測地形圖

（5）測船速度不能過快。測船的航速非常重要，航速過快，會造成點位坐標(biāo)精度急劇下降，從而影響水下地形測繪的精度。

5 結(jié)語

數(shù)字定位測深系統(tǒng)在復(fù)雜水域水下地形測量上的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的復(fù)雜水域水下地形測量作業(yè)模式，具有速度快、效率高、精度高等優(yōu)點，節(jié)省了大量的人力物力。隨著當(dāng)前GPS 技術(shù)的飛速進(jìn)步和應(yīng)用的普及，其在水利工程測量中的應(yīng)用越來越多，地位也越來越重要。

［1］佟玉娥.測深儀與GPS 集成技術(shù)在大平礦水庫內(nèi)地形測量中的應(yīng)用［J］.鐵法科技，2013（11）：18-22.

［2］黃勤，石銀濤.GPS 和測深儀組合系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2008（9）.

［3］鄭利民，李偉，陳偉偉，等.黃河下游河道工程觀測研究［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2008（12）：969-971.