基于GPS的水下地形測量分析

韓毅騰

摘? ?要：水下地形測量是一種非常重要的測繪工作，在港口建設(shè)、航運安全、水資源開發(fā)等方面發(fā)揮著重大的作用，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，測量技術(shù)也取得了很大的進步，尤其是基于GPS水下地形測量技術(shù)較為普及。本文闡述了GPS水下地形測量的基本原理、測量方法，并通過工程實踐分析給出了具有實踐意義的觀點。

關(guān)鍵詞：水下地形測量? GPS? 實踐分析

中圖分類號：P228? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0009-02

水下地形測量是一種重要的測繪工作，在橋梁、水庫、碼頭、港口等施工建設(shè)中水下地形測量有著很大的作用，它的主要工作內(nèi)容是測量江河湖海以及近海水底點的平面位置以及相應(yīng)的高程，以便繪制水下地形圖，是現(xiàn)代水利工程中的一項重要工程技術(shù)[1]。根據(jù)不同條件和情況選擇合適的方式進行水下地形的測量工作。

1? 平面定位測量

1.1 全站儀測量

全站儀是全站型電子測距儀的簡稱，是將電、光、機融為一體的高科技測量儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)水平和垂直角度、距離和高差的測量。全站型電子測距儀之所以叫全站儀，是因為儀器布置一回就能夠完成該測量站的所有目標的測量。利用全站儀，按方位―距離的極坐標法進行定位。觀測值通過無線通信可以立即傳輸?shù)綔y船上的便攜機中，立即計算出測點的平面坐標，與對應(yīng)點的測深數(shù)據(jù)合并在一起;也可儲存在岸上測站與全站儀在線連接的電子手薄中或全站儀的內(nèi)存中。到內(nèi)業(yè)時由數(shù)字測圖系統(tǒng)軟件，可自動生成水下地形圖。

1.2 GPS定位測量

GPS的英文全稱是Global Positioning System，中文名稱是全球定位系統(tǒng)，它是通過近地軌道衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)進行實時定位的一個系統(tǒng)。GPS主要是通過近地軌道衛(wèi)星的瞬時位置確定已知點的起點數(shù)據(jù)，并利用空間距離后交叉法確定要測量的位置。在實際應(yīng)用中，可以利用動態(tài)或者靜態(tài)測量的技術(shù)歸解坐標數(shù)據(jù)，能夠達到非常高的定位精度。GPS-RTK技術(shù)GPS定位技術(shù)新的發(fā)展方向，它是利用載波相位動態(tài)實時差分技術(shù)，能夠達到厘米級的實時定位。在科學技術(shù)不斷發(fā)展的今天，GPS-RTK在陸地地形測量、水下地形測量領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，推動了測繪技術(shù)的革新。

2? 水深測量的方法

水下地形測量主要的內(nèi)容之一就是水深測量。它是測定水底某點平面位置對應(yīng)其在水面以下的深度，是河底、湖底、海底及其它水域地形測量的基本手段，根據(jù)使用的測量工具的不同，水深測量的方法可以劃分為：聲吶測量、激光雷達測量[2-3]。

2.1 聲吶測量

聲吶測量是根據(jù)超聲波在均勻介質(zhì)中以均勻速度傳播并在不同介質(zhì)界面反射的原理，選擇對水的穿透能力最佳、頻率在1500Hz附近的超聲波，向水底發(fā)射聲波并且記錄聲波發(fā)出和返回的時間間隔，通過特定算法得到水深數(shù)據(jù)。在水深測量和航海領(lǐng)域中聲吶測量儀獲得了廣泛的應(yīng)用。測深聲吶分為單波束測深聲吶和多波束測深聲吶，在水下地形測量領(lǐng)域中，都得到了有效并廣泛的應(yīng)用和普及。

2.2 機載激光測深（LIDAR）

LIDAR的英文全稱為Light Detection And Ranging，中文名稱激光探測與測量。激光雷達測深的原理是從飛機腹部向水面垂直發(fā)射激光，一般發(fā)射特定波長的兩種激光，分別為紅色激光和綠色激光，紅色激光光束由于理化特性照到水面會被反射，綠色激光光束則會照射到水里，直至到達水底再被反射出來，飛機上的激光接收器會計算兩束光接收的時間差，這個時間差的一半就等于綠色激光從水面到水底的傳播時間，根據(jù)光的傳播速度和傳播時間即可求得水深。機載激光雷達測深系統(tǒng)的可以探測50m左右的水深，精度能夠保持在0.3m左右。

3? 水下地形測量實踐分析

3.1 工程測量

本文選擇基于GPS-RTK的Sonic 2022多波束測深系統(tǒng)在國內(nèi)某港航道水下地形測量中的應(yīng)用進行分析和總結(jié)。該航道長約21km，航道的寬度約260m，選擇1：2000比例尺進行施測。工程測量使用航標測量船，船長40m，船寬8.8m，吃水2m，動吃水0.06m。Sonic 2022多波束測深系統(tǒng)按要求安裝在測量船指定位置上。工作前使用GPS-RTK測定坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)、利用聲速測試儀測量水域的聲速剖面曲線一同錄入到采集軟件系統(tǒng)中，在港口池里選擇平坦的以及地勢變化較大的區(qū)域分別設(shè)立一條平行的測線進行多波束安裝校正，包括橫搖、縱搖以及艏搖等。工程測量時GPS-RTK多波束測深系統(tǒng)選擇100°掃寬，調(diào)入已定的網(wǎng)格和測線，運行系統(tǒng)的各個儀器設(shè)備，當航標測量船進入測量區(qū)域并沿著已定測線航行時，各個儀器設(shè)備開始實時采集測量數(shù)據(jù)，同時形成數(shù)據(jù)文件記錄保存在電腦里。數(shù)據(jù)采集由Qinsy軟件配合Qloud2.3數(shù)據(jù)采集軟件完成，本次掃測完成后，經(jīng)現(xiàn)場觀察及后期數(shù)據(jù)回放檢查，掃測范圍內(nèi)測線覆蓋良好，沒有出現(xiàn)空白區(qū)。后期圖形處理軟件采用HYPACK軟件，最后生成1：2000 航道水下地形圖。

3.2 成果分析

為了驗證GPS-RTK多波束無驗潮測深技術(shù)的高效性、準確性及可靠性，采用二種方式進行驗證：（1）系統(tǒng)內(nèi)符合驗證;（2）系統(tǒng)間平面定位精度誤差對比。

（1）系統(tǒng)內(nèi)符合驗證。測量過程前需布設(shè)多條交叉重疊的測線進行水深測量，采用相對精度評估的方法，摘錄其中1958 個重復(fù)測量點進行誤差分析。經(jīng)過統(tǒng)計分析本回測量有96%的測深值偏差小于0.1m，100%的測深偏差小于0.3m，符合國家標準及相關(guān)規(guī)范要求[4]。

將本次GPS-RTK作業(yè)中的坐標定位的結(jié)果與全站儀獲得的坐標結(jié)果（已知）進行比較（見表1），可知，GPS-RTK取得的坐標點位，其精度可達厘米級，各點位之間不存在誤差積累，與全站儀取得結(jié)果符合度高，滿足水下地形測繪的要求[5]。

（2）Sonic 2022多波束測深系統(tǒng)與HY1602雙頻測深系統(tǒng)間測量誤差對比。在航道較平坦區(qū)的水下，采用雙頻單波束測深和GPS-RTK多波束無驗潮測深兩種方法分別對同一片區(qū)域（測區(qū)范圍內(nèi)200m×500m 范圍）進行測量。將產(chǎn)生的兩組數(shù)據(jù)在HYPACK中進行點對點對比。其中，灰色數(shù)據(jù)點為Sonic多波束測得的水深數(shù)據(jù)，黑色數(shù)據(jù)點為HY1602雙頻單波束測深儀測得的。從兩組原始數(shù)據(jù)中提取坐標相近的60個數(shù)據(jù)點（XY相差不大于0.3m），將它們的水深值進行比較，對比結(jié)果的精度符合規(guī)范的要求，判定是合理的。

4? 結(jié)語

伴隨科技力量的進步而日益成熟的GPS-RTK技術(shù)，給水下地形測量帶來了全新的革命，尤其是GPS-RTK無驗潮技術(shù)與多波束測深系統(tǒng)的結(jié)合可以使得水深測量作業(yè)測量范圍更大、效率更高、精度更可靠。同時，減少了人工和設(shè)備成本，不要求通視條件，全天候作業(yè)的方式，極大地推動了水下測繪的發(fā)展。本文通過闡述平面定位和水深測量的傳統(tǒng)及先進測量方式，經(jīng)過實踐分析和數(shù)據(jù)比對，確認基于GPS-RTK的多波束測深系統(tǒng)能夠滿足水下地形測量的精度和效益要求。

參考文獻

[1] 高斌，吳向陽，劉娟.GPS在水下地形測量工程中的應(yīng)用[J].測繪科學，2009（34）：228，258.

[2] 汪志明.差分GPS和測深儀組合系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用研究[D].武漢大學，2003.

[3] 李學恒.水下地形測量技術(shù)方法應(yīng)用分析[J].工程技術(shù)，2007（2）：63-64.

[4] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB12327-1998海道測量規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，1999.

[5] 方穎.長江口水下地形測量數(shù)據(jù)處理[J].測繪通報，1999（3）：31-32.