GNSS定位技術(shù)在水下測繪中的應(yīng)用

李曉晨，劉文國，董溫榮

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東濟(jì)南 250014）

GNSS定位技術(shù)在水下測繪中的應(yīng)用

李曉晨，劉文國，董溫榮

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東濟(jì)南 250014）

隨著GNSS測繪技術(shù)的發(fā)展，水下測繪的成熟模式為載波相位動態(tài)實(shí)時差分技術(shù)與測深儀組合。本文闡述了這種模式在水下測繪的應(yīng)用及工作原理，提出了工作過程中的一些經(jīng)驗和體會。

GNSS；RTK；水下測繪；測深儀

濰坊北部沿海地區(qū)瀕臨渤海萊州灣，資源豐富。風(fēng)暴潮是濰坊市北部沿海成災(zāi)最大的自然災(zāi)害，使沿海地區(qū)漁業(yè)、鹽化等生產(chǎn)遭受嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。沿海防護(hù)堤工程的建設(shè)以防御沿海風(fēng)暴潮災(zāi)害為主要目的，具備防潮、防浪及防沙的功能，兼具汛期行洪排澇、控制海域污染、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)等功能，是保證濰坊市“三北”地區(qū)開發(fā)和濱海新城建設(shè)的重要屏障。人工島及海河路工程位于沿海防護(hù)堤以南，主要工程內(nèi)容包括濰坊白浪河防潮閘以南、龍震大壩以北的白浪河河道清淤疏浚，吹填規(guī)劃人工島及東堤壩（規(guī)劃海河路）、建設(shè)沿線橋閘工程等。該項目位于濰坊市濱海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)境內(nèi)，測量目的是為濰坊濱海旅游度假區(qū)人工島及海河路工程初步設(shè)計提供必要的基礎(chǔ)測繪成果。測區(qū)80%的面積為水下。采用RTK定位技術(shù)配合測深儀進(jìn)行水下測繪，可大大提高工作效率。

1 測區(qū)控制網(wǎng)建立

經(jīng)現(xiàn)場查勘，測區(qū)附近現(xiàn)有山東省建立的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考網(wǎng)站站點(diǎn)，坐標(biāo)系統(tǒng)為1980西安坐標(biāo)系，可以作為本次測量聯(lián)測點(diǎn)和起算點(diǎn)使用。并進(jìn)行大地水準(zhǔn)面精化，獲得大地正常高系統(tǒng)高程，高程系采用1985國家高程基準(zhǔn)。中央經(jīng)線為東經(jīng)119°10′。本次首級GPS衛(wèi)星定位測量采用2臺Leica SR530(Rush)型雙頻GNSS衛(wèi)星接收機(jī)和3臺中海達(dá)V8GNSS-R4聯(lián)合施測。作業(yè)方式采用同步靜態(tài)觀測。為求定GNSS點(diǎn)在某一參考坐標(biāo)系中坐標(biāo)，對附近山東省連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，聯(lián)測的總點(diǎn)數(shù)為4點(diǎn)。采取整體布網(wǎng)，整體數(shù)據(jù)處理的方式。利用LGO平差軟件對靜態(tài)測量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，將CORS求得的數(shù)據(jù)作為起算數(shù)據(jù)，求得中央經(jīng)線為120°的6°帶坐標(biāo)成果。最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±0.14 cm；換帶求得中央經(jīng)線為119°10′的1980西安坐標(biāo)系平面坐標(biāo)成果并求得坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

根據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》要求，GPS控制網(wǎng)測量采用中誤差作為精度的技術(shù)指標(biāo)，以2倍中誤差作為極限誤差，且滿足D級精度要求。表1為大地水準(zhǔn)面精化成果：

表1 大地水準(zhǔn)面精化成果表

2 控制網(wǎng)的各項技術(shù)指標(biāo)及精度統(tǒng)計

基線解算是利用網(wǎng)中觀測時間較長的測站單點(diǎn)定位，獲得WGS-84坐標(biāo)；以此為起算點(diǎn)，采用雙差固定解模式，分別解算其他各點(diǎn)。然后對解算的基線向量進(jìn)行預(yù)處理，統(tǒng)計同步環(huán)閉合差、復(fù)測基線較差和異步環(huán)閉合差。在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行三維無約束平差，剔除含粗差基線，檢查內(nèi)符合精度，計算基線向量改正數(shù)，統(tǒng)計基線的絕對誤差和相對誤差，計算各點(diǎn)三維坐標(biāo)、大地經(jīng)緯度坐標(biāo)和平面坐標(biāo)，統(tǒng)計點(diǎn)位中誤差。利用三維無約束平差后的數(shù)據(jù)，在1980西安坐標(biāo)系中進(jìn)行二維約束平差，計算各點(diǎn)二維坐標(biāo)，統(tǒng)計點(diǎn)位中誤差、距離中誤差、距離相對中誤差。

表2 復(fù)測基線長度較差統(tǒng)計

3 水下地形測量

水下地形測量的作業(yè)系統(tǒng)主要由GNSS接收機(jī)、數(shù)字化測深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和便攜式計算機(jī)及相關(guān)軟件等組成。測量作業(yè)分3步來進(jìn)行，即測前的準(zhǔn)備、外業(yè)的數(shù)據(jù)采集測量作業(yè)和數(shù)據(jù)的后處理形成成果輸出。使用Leica SR530(Rush)型雙頻GNSS衛(wèi)星接收機(jī)及南方HD-27型數(shù)字回聲測深儀進(jìn)行水深測量。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不到1 s?；鶞?zhǔn)站和移動站必須要保持4顆以上相同衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結(jié)果；所以有時偶爾RTK沒有固定解也是很正常的。

外業(yè)操作方法：1）水下地形測量基本在無風(fēng)的天氣進(jìn)行，采用斷面法施測，先在已有陸地地形圖的基礎(chǔ)上，預(yù)先按技術(shù)要求做好斷面計劃線，計劃線根據(jù)海面情況布置成與航道方向大致成垂直的方向。斷面間距為100 m。2）將GNSS RTK儀器安裝在測深儀探頭上，船上GNSS RTK儀器與測深儀平面位置一致，并保證測深儀垂直于水面。3）水下地形采集密度以能顯示出水下地形特征為原則。水下地形點(diǎn)點(diǎn)距為圖上2~5 cm，實(shí)際距離為40~100 m。水下地形變化復(fù)雜區(qū)域測深儀采集點(diǎn)距適當(dāng)縮短以反映地形特征，滿足水下地形等高線的勾繪。對于淺水或船不能到達(dá)的區(qū)域采取測量人員穿下水褲涉水測量。4）水下地形測量沿作業(yè)邊界往外擴(kuò)測100 m，以滿足要求。

水深測量期間進(jìn)行測深檢查線測量，檢查線貫穿整個測區(qū)，用以檢查不同日期、不同時間、不同潮時所測斷面測深值的正確性，從而保證水深測量成果質(zhì)量。測深檢查線垂直于主測深線方向布設(shè)，其總長度大于主測深線的5%；對檢查線與水深測量斷面的水深重合點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，具體結(jié)果見表3。

表3 測深精度統(tǒng)計表

由表2所列數(shù)據(jù)計算出測深誤差為±0.07 m，符合規(guī)范要求。

4 結(jié)語

在采用了GNSS實(shí)時定位技術(shù)后，測深儀換能器可以實(shí)時獲得高精度的三維坐標(biāo)，再配姿態(tài)糾正儀，使得水下高程及時高效的獲取。對于大面積水域和海域構(gòu)建水下地形地貌和DEM獲取是一種極為實(shí)用、穩(wěn)健和經(jīng)濟(jì)的方式。相信隨著GNSS技術(shù)、激光掃描技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水下測繪技術(shù)能有更好的進(jìn)步。

[1]高成發(fā)，趙毅.差分GPS水深測量系統(tǒng)在港口工程中的應(yīng)用[J].測繪工程，2004.

[2]孔祥元，梅是義.控制測量學(xué)（第二版）[M].武漢大學(xué)出版社，1996.

[3]徐紹銓，等.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢大學(xué)出版社，2004.

（責(zé)任編輯 張玉燕）

P228

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1009-6159（2016）-12-0008-02

2016-05-17

李曉晨（1979—），男，工程師