CORS RTK無驗潮水下地形測量技術在上海潮灘測量中的應用

秦昌杰，謝敏真

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 上海市沙田學校，上海 200062）

CORS RTK無驗潮水下地形測量技術在上海潮灘測量中的應用

秦昌杰1，謝敏真2

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 上海市沙田學校，上海 200062）

隨著海洋事業(yè)的不斷發(fā)展，水下地形測量工作也越來越顯出其重要性。介紹了CORS RTK無驗潮水下地形測量的原理和方法，該方法改進了水下地形測量的工序，減少了測量人員和設備，提高了工作效率，能夠實現(xiàn)快速高精度的水下地形測量。結合其在上海潮灘測量中的應用，通過分析內(nèi)符合和外符合精度情況，充分顯示了該方法的優(yōu)越性，在近海的水下地形測量中具有很好的應用前景。

CORS RTK；無驗潮；水下地形測量；潮灘

隨著海洋事業(yè)的不斷發(fā)展，水下地形測量工作也越來越顯出其重要性，目前水下地形測量的作業(yè)方式有常規(guī)驗潮水下地形測量和無驗潮水下地形測量兩種方式。常規(guī)驗潮方式需要架設潮位站進行人工驗潮，以便在測量的水深值中加入潮位改正，從而計算出每個測點的高程值。無驗潮方式就是在測量船上直接測出測點的瞬時水面三維坐標，減去該時刻測點的水深值，從而得到每個測點的高程值，不需要岸上人員觀測潮位。無驗潮方式在水下地形測量中有著獨特的優(yōu)越性，特別是在海洋的大面積水域測量中，由于潮位存在坡降比，常規(guī)驗潮方式需要在測區(qū)內(nèi)按距離分塊布設潮位觀測點，每個觀測點要配相應的工作人員和設備進行潮位觀測，這樣既不容易求出準確的潮位數(shù)據(jù)，且工作效率也不高。而無驗潮方式改進了水下地形測量的工序，減少了測量人員和設備，提高了工作效率[1~3]。此外隨著GPS定位技術的進步和發(fā)展，基于連續(xù)運行參考站網(wǎng)的實時動態(tài)相對定位技術 (Continuously Operating Reference Stations Real Time Kinematic, CORS RTK)測量精度的提高也為這種方式提供了技術上的保證[4~6]。

CORS RTK通常是由基準站網(wǎng)、數(shù)據(jù)服務中心、數(shù)據(jù)通信鏈路及用戶等部分組成的網(wǎng)絡RTK，它跟常規(guī)RTK一樣是一種利用GPS載波相位觀測值進行實時動態(tài)相對定位的技術。在CORS網(wǎng)絡覆蓋地區(qū)，用戶只需要一臺帶有數(shù)字移動通信數(shù)據(jù)鏈功能的GPS接收機，通過無線網(wǎng)絡方式將自身的實時信息發(fā)送給數(shù)據(jù)服務中心，并接收數(shù)據(jù)服務中心發(fā)送來的差分信息進行實時數(shù)據(jù)采集，就能夠快速的獲得厘米級精度的定位結果[4~6]。CORS RTK技術在陸地測量和放樣中的應用已經(jīng)比較成熟，在海洋測量和海洋工程中的應用也越來越廣泛[2]。

1 CORS RTK無驗潮水下地形測量的原理和方法

CORS RTK無驗潮水下地形測量系統(tǒng)由GPS接收機、數(shù)字化測深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和計算機及相關軟件組成。作業(yè)原理和方法是用戶將GPS接收機天線捆綁在測深儀換能器的正上方，將GPS接入CORS網(wǎng)絡，利用CORS RTK技術進行平面和高程觀測，得到GPS接收機天線的實時三維坐標，測深儀同步采集該點位的水深數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理得到水下地形點的高程值。假定相對于某高程基準面，GPS接收機的天線高程可由CORS RTK測出記為H1，測深儀換能器的瞬時高程記為H2，H為測深儀測出的水深值，水底點O的高程記為H0，GPS接收機天線和測深儀換能器之間的長度記為L，結構原理如圖1所示。

圖1 結構原理圖Fig.1 The structure principle diagram

從圖1中可以得出：

根據(jù)式1可以求出水底點O的高程H0，而該測點的平面位置由CORS RTK實時測出，水下地形測量的目的已經(jīng)達到了。上述測量方法摒棄了常規(guī)驗潮方式對潮位觀測的嚴格要求，集潮位測量和水深測量于一身，直接獲得了水下地形點的三維坐標，操作和實施比較方便、快捷[1,2,7,8]。

2 工程應用

2.1 工程概況

上海潮灘水下地形測量項目，主要為上海市一線海堤至-5m線的水深測量區(qū)域。測量范圍為浦東機場至金山的沿海潮灘，測線間距1.2km，采樣間隔為5m，測線里程120km。測量坐標系統(tǒng)：WGS-84坐標系；高程基準：吳淞高程基準。測區(qū)內(nèi)上海市一線海堤有我院近年來布設的多個上海市地面沉降監(jiān)測GPS點和每隔1.2km布設的一線海堤沉降監(jiān)測水準點，作為該項目的平面和高程控制點。每年我院均會按照《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》(GB/T 18314-2009)中的B級網(wǎng)要求對GPS點進行觀測，按照《國家一、二等水準測量規(guī)范》(GB/T 12897-2006)中的二等水準測量要求將一線海堤沉降監(jiān)測水準點與上海市一、二等水準網(wǎng)進行聯(lián)測。

2.2 測量方法

潮灘測量采用CORS RTK無驗潮水下地形測量方式。GPS接收機選用美國天寶公司的R8雙頻接收機，測深儀選用Hydrotrac單頻回聲測深儀，測量軟件采用專用水道測量軟件HYPACK MAX。通過接入上海CORS系統(tǒng)同步采集測點WGS-84平面坐標、GPS天線大地高和水深值，GPS天線大地高通過上海市測繪院的上海似大地水準面模型轉換成吳淞高程，計算得到水下地形點的三維坐標。

2.3 測量實施

（1）儀器校準和比對

儀器的準確性和穩(wěn)定性是測量的基礎，水深測量工作之前,必須對使用的GPS接收機及測深儀進行檢校，對定位精度及測深精度進行嚴格的比對和校準。

GPS接收機比對方法：項目實施前將GPS接收機放置在GPS控制點上，連續(xù)開機記錄時間不少于24h，采樣間隔為1s，繪制觀測記錄散點圖，統(tǒng)計內(nèi)符合和外符合測量精度及其分段分布情況。

測深儀比對方法：項目實施前選擇在水深大于5m的海底平坦處，連續(xù)開機時間不得少于4h，采樣間隔5min，水深比對限差應在0.3m之內(nèi)。

無驗潮水下地形測量的重點和難點是高程測量的精度，因此在每天作業(yè)之前，必須進行高程控制點的比對測量。GPS接收機接入上海CORS系統(tǒng)初始化有固定解后，將其放在測區(qū)附近的高程控制點上進行比對，比對限差應在0.05m之內(nèi)。每次測量前、后在測區(qū)內(nèi)利用校正板對測深儀進行現(xiàn)場比對，比對限差應在0.05m之內(nèi)。所有儀器設備校準比對結果符合要求后，方可以進行數(shù)據(jù)采集工作。

（2）數(shù)據(jù)采集

作業(yè)前先將測量系統(tǒng)各部件按要求連接，GPS接收機天線和測深儀換能器捆綁在同一垂桿上，用鋼卷尺準確測量好GPS接收機天線至測深儀換能器的長度。打開電源，將GPS接收機、測深儀和測量軟件各個通訊通道調(diào)試接通，設置好數(shù)據(jù)采集格式等，同時校準電腦、測深儀和GPS接收機的時間，確認無誤后根據(jù)HYPACK軟件導航，沿計劃測線跑船。因測區(qū)內(nèi)水深較淺，盡可能利用高潮位時進行野外數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集時實時查看CORS RTK差分接收鎖定情況，保證在鎖定狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)，確保定位數(shù)據(jù)的可靠性。同時注意測深儀工作是否正常，測深紙上的回波信號是否清晰，吃水線是否漂移，保證測量系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下測量。無障礙物條件下，斷面測深航跡線偏移應不大于20m，每條測線盡量在同一天內(nèi)一次性完成，如果測線不能一次性完成，拼接重合點必須有三個水深點以上的數(shù)據(jù)，以保證水深數(shù)據(jù)的完整、連續(xù)、可靠?，F(xiàn)場測量中遇到障礙物（漁網(wǎng)、碼頭等）影響測量時，要及時打標注記，標注清楚障礙物的點號、名稱、位置等。同時每條測線都需作好海上作業(yè)日志（相關氣候與潮汐等）、水下地形測量班報表等記錄。

（3）內(nèi)業(yè)處理

測量結束后，將采集完整的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)按設計規(guī)范要求進行整理，然后采用HYPACK MAX水道測量軟件進行內(nèi)業(yè)后處理，經(jīng)改正及剔除假水深后，輸出實際需要的成果。

2.4 精度分析

《海洋調(diào)查規(guī)范 第10部分：海底地形地貌調(diào)查》(GB/ T 12763.10-2007)，規(guī)定對主檢測線重合點水深不符值進行系統(tǒng)誤差及粗差檢驗，剔除系統(tǒng)誤差和粗差后，其主檢水深不符值限差為：水深小于30m時為0.6m；水深大于30m時為水深的2%；超限的點數(shù)不得超過參加比對總點數(shù)的10%。利用檢查線與主測線水深不符值，進行水深測量準確度估計，其估計指標的計算公式為式2，在水深小于30m時水深測量準確度應優(yōu)于0.3m；在水深大于30m時，水深測量準確度應優(yōu)于水深值的1%[9]。

式中：

M–重合點水深不符值中誤差，單位為m；

di–主測線與檢查線在重合點i處的深度不符值，單位為m；

n–主測線與檢查線的重合點數(shù)。

（1）內(nèi)符合精度

為了保證測量成果的質(zhì)量，在垂直于主測線的方向上我們布置了30km的檢查線，檢查線與主測線相交處比對點 193點，所有點的水深值均在30m以內(nèi)，交叉比對點水深不符值均小于0.6m。交叉比對點不符值分布情況見表1。根據(jù)這些交叉比對點不符值按式2計算水深測量準確度為M=±0.08m。

表1 主檢測線交叉比對點不符值分布情況Table 1 The distribution of the inconsistent values of the main detection lines’ point

（2）外符合精度

為了驗證CORS RTK無驗潮水下地形測量的可靠性和精度情況，在低潮位露灘時安排測量人員進行部分人工野外跑灘檢測。由于CORS RTK技術在陸地測量和放樣中的應用已經(jīng)比較成熟，所以檢測方法采用CORS RTK結合全站儀的野外數(shù)字測圖方式，檢測點采樣間隔5m，共檢測測點652點，檢測點不符值分布情況見表2。根據(jù)這些檢測點不符值按式2計算水深測量準確度M=±0.13m。

表2 檢測點不符值分布情況Table 2 The distribution of inconsistent values of detection point

通過內(nèi)符合和外符合的精度統(tǒng)計比對分析，利用CORS RTK無驗潮水下地形測量技術在上海潮灘測量項目中測得的數(shù)據(jù)是可靠的，滿足該項目設計需要和《海洋調(diào)查規(guī)范 第10部分：海底地形地貌調(diào)查》(GB/T 12763.10-2007)規(guī)定的質(zhì)量精度要求。

3 結論

相對常規(guī)驗潮水下地形測量，利用CORS RTK無驗潮水下地形測量技術進行上海潮灘水下地形點的采集具有很大的優(yōu)越性，具有省時、省力、方便、快捷和簡單等特點，能夠實現(xiàn)快速高精度的水下地形測量，在近海的水下地形測量中具有很好的應用前景。

（1）CORS RTK無驗潮水下地形測量技術方便、快捷，無需專門架設潮位站，大大節(jié)省了人力和物力的投入，在近海潮灘潮位架設比較困難、海況比較差、驗潮條件不具備的區(qū)域真正實現(xiàn)了無驗潮的水下地形測量，大大提高了測量的工作效率。

（2）CORS RTK無驗潮水下地形測量技術由于GPS接收天線和測深儀換能器是捆綁在同一垂桿上，兩者之間的距離固定，因而船體的動態(tài)吃水不用專門去測定，測深儀換能器的瞬時高程已經(jīng)包含了該信息，因此該方法可以減少風浪對測深儀換能器吃水上下漂移的影響，進一步提高測量成果的精度。

（3）CORS RTK無驗潮水下地形測量技術能夠在動態(tài)環(huán)境下，獲得厘米級的水平定位精度，比常規(guī)采用RBN/ DGPS信標技術獲得米級導航定位精度大大提高,特別適用于沿岸重要海區(qū)的精密測量。

References)

[1] 李昱,閻成赟. 基于JSCORS的無驗潮水下地形測量研究[J]. 海洋測繪,2014,34(3):48-51.

Li Y, Yan C Y.A non-tide sounding survey technique based on JSCORS[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2014,34 (3):48-51.

[2] 栗志剛,孫仁權. RTK GPS在無驗潮水深測量中的應用[J]. 海洋測繪,2005,25(5):46-48.

Li Z G, Sun R Q. Application of RTK GPS in bathymetric survey without tide observation[J]. Hydrographic Surveying and Charting. 2005,25(5):46-48.

[3] 尹麗. 無驗潮水深測量技術的應用[J]. 黑龍江國土資源,2013,(7): 69.

Yin L. Application of no tide depth measurement technology[J]. Heilongjiang Land and Resources, 2013,(7):69.

[4] 徐紹銓,張華海,楊志強,等. GPS測量原理及應用[M]. 武漢：武漢大學出版社,2008.

Xu S Q, Zhang H H, Yang Z Q, et al. GPS measurement principles and applications[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 2008.

[5] 魏二虎,黃勁松. GPS測量操作與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢：武漢大學出版社,2004.

Wei E H, Huang J S. GPS survey operation and data processing[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 2004.

[6] 李征航,黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學出版社,2010.

Li Z H, Huang J S. GPS surveying and data processing[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 2010.

[7] 顏惠慶,張俊. GPS-RTK無驗潮水深測量技術在長江口航道治理工程中的應用[J]. 水運工程,2002,(10):79-80.

Yan H Q, Zhang J. Application of GPS-RTK bathymetric survey technique without tidal observation in Yangtze Estuary channel regulation project[J]. Port & Waterway Engineering, 2002,(10):79-80.

[8] 鄭建,方碧云. GPS-RTK無驗潮水下地形測量技術在牟山湖整治工程中的應用[J]. 大壩與安全,2004,(S1):25-27.

Zheng J, Fang B Y. Application of GPS-RTK underwater topographic survey technology without tidal observation in the Moushan Lake renovation project[J]. Large Dam & Safety, 2004,(S1):25-27.

[9] GB/T 12763.10-2007. 海洋調(diào)查規(guī)范 第10部分:海底地形地貌調(diào)查[S].北京:中國標準出版社,2007.

GB/T 12763.10-2007.Specification for oceanographic survey -Part 10: Submarine topography and geomorphology[S]. Beijing: Standards Press of China, 2007.

[10] 張金華. 無人機航攝系統(tǒng)在灘涂高程測量中的應用研究[J]. 上海國土資源,2016,37(3):86-88.

Zhang J H. A pilot study on the application of a UAV aerial photography system in the tidal flat elevation[J]. Shanghai Land & Resources, 2016,37(3):86-88.

[11] 張文祥. 當前國際海洋觀測技術的主要發(fā)展方向[J]. 上海國土資源,2015,36(2):98-100.

Zhang W X. New developments in ocean observation technology[J]. Shanghai Land & Resources, 2015,36(2):98-100.

Application of CORS RTK underwater topographic survey technology without tidal observation in tidal flat survey in Shanghai

QIN Chang-Jie1, XIE Min-Zhen2
(1. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China; 2. Shanghai Shatian School, Shanghai 200062, China)

With the rapid development of ocean, the underwater topograpic survey work has become increasingly important, this paper introduces the CORS RTK underwater topographic survey technology without tidal observation’s principle and method, this method improves the measurement process, reduce the number of personnel and equipment, improve work efficiency, to achieve high accuracy and fast underwater topographic survey. Combined with its application in the measurement of tidal flat in Shanghai, the advantages of the method are demonstrated through the analysis of the internal and external coincidence accuracy. It has a good application prospect in the underwater topographic survey of offshore.

CORS RTK; without tidal observation; underwater topographic survey; tidal flat

P204

A

2095-1329(2017)01-0096-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.01.022

2017-02-16

修回日期: 2017-03-23

秦昌杰(1984-),男,工程師,主要從事地面沉降監(jiān)測與近岸海域地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究.

電子郵箱: shigs_84@126.com

聯(lián)系電話: 021-56618278