一種水下點位三維坐標精準測量的方法

王 曉 平

(上海市測繪院，上海　200063)

1　概述

隨著水下資源的不斷開發(fā)，建筑物、構(gòu)筑物等除了從陸地向天空發(fā)展之外也開始往水下發(fā)展，水下需要精確定位的方面也越來越多。河道一般采用RTK加測深桿和測深錘的方法，水下地形測量方法一般有RTK、回聲測速儀配合驗潮站進行水位改正模式，也有無驗潮站測水深的方式。

水下點位的精確測量一般海洋水下工程公司做得比較多，在碼頭建設(shè)等方面需求廣泛，一般也都需要施工來配合測量，否則測量工作難以開展，比較常見的測量儀器設(shè)備還是高精度全站儀、GPS-RTK、鋼尺等。最傳統(tǒng)的方式還是利用測深桿、鋼尺等進行測量，但安全、精度、工作強度和工作量都會受到很大的挑戰(zhàn)。本文將從一個碼頭基建項目的水下點位三維坐標精準測量介紹一種利用幾何關(guān)系來測量和計算的方法。

2　水下三維坐標精確測定的難點

項目位于廣州市黃浦區(qū)東南部珠江口內(nèi)的北岸，需要對其布設(shè)于水下的探頭孔位坐標進行精確測量。水下孔位分布于東西長160 m，南北寬20 m范圍內(nèi)的水下。

其中縱向有40條軸線，橫向有7條軸線，共280個孔位。水深在落潮時約14 m～15 m，測區(qū)內(nèi)每12 h漲落潮一次，最高潮位與最低潮位相差約5 m。需要測量水下探頭孔位的三維坐標，坐標精度要求為±5 cm。

待測點位全部位于水下，無法直接目視或接觸，使用常規(guī)的測量手段便捷地獲得大量點位的精確坐標?；A(chǔ)施工的時候也有誤差，水下點位也不在一個平面上。

3　測量方法上的創(chuàng)新

3.1　方法設(shè)想

針對本測區(qū)的特點和難點，主要思路還是想通過測量位于水面上的2點坐標來推算水下點位的三維坐標，水面上的測量容易保證精度，水面上的點和水面下的點發(fā)生聯(lián)系也不難，但這種關(guān)系必須要是穩(wěn)定、可靠而且可量算的。

因為施工時為了后期的方便就在一些孔位上拉了硬度較好的鋼絲，而且在孔位上扣鋼絲的設(shè)備非常便捷，于是用有定長刻度的鋼絲扣在每一個水下孔上，刻度必須保證延伸出水面，一般設(shè)計在25 m左右，比水深大10 m以上。這樣在鋼絲上掛兩個棱鏡，一個棱鏡掛在刻度位置，利用空間幾何的原理推算出直線方程，根據(jù)鋼絲長度就可以算出鋼絲末端的坐標，即孔位的三維坐標，就這樣，非接觸的間接測量方法可以實現(xiàn)目的，并達到精度要求。

3.2　設(shè)備和軟件考量

要保證水面以上的測量精度，能高盡量高，且考慮到環(huán)境的復(fù)雜性，需要儀器有迅速捕捉和自動觀測的能力?？紤]到觀測的時效和同一根鋼絲兩個棱鏡對直線推導(dǎo)的關(guān)聯(lián)性，因為存在鋼絲晃動，所以要求兩臺全站儀分別對各自的目標點位同時觀測，以保證水下點位的坐標盡可能少受鋼絲繩的晃動帶來的時間差影響。用計算機軟件自動控制2臺智能全站儀進行同步觀測，并迅速對觀測得到的數(shù)據(jù)做出判斷并剔除不滿足條件的成果。

專門制作可在水面上縱向滑動的測量輔助裝置，測量時需要在該裝置上固定一根裝有五組三面反射片的鋼絲繩，并且需要保證鋼絲繩在測量時處于嚴格伸直的狀態(tài)并盡可能減少鋼絲繩的晃動量。

4　測量的具體流程設(shè)計與實施

水下點位坐標測量的主要流程為：

實際上，甘肅道地中藏醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)較好，部分產(chǎn)地企業(yè)已經(jīng)具有醫(yī)藥基礎(chǔ)研究和醫(yī)藥專利，但專利自用率不高，專利閑置較多，專利發(fā)展規(guī)劃缺乏[13]，這更加證明，以高投入、高風險、高回報、研發(fā)周期長為特征的生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)，必須向經(jīng)濟相對發(fā)達和專業(yè)智力密集的地區(qū)聚集，而蘭州生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)基地的發(fā)展確實有條件擔當這一使命。因此，一方面要充分利用甘肅道地中、藏醫(yī)藥資源優(yōu)勢，以好藥材保證好藥品；另一方面要進一步增強與國內(nèi)外知名醫(yī)藥企業(yè)和研究機構(gòu)的聯(lián)合協(xié)作，在區(qū)域性大尺度空間逐步形成從道地中、藏醫(yī)藥資源產(chǎn)地到醫(yī)藥產(chǎn)品市場的覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的廣泛聯(lián)動發(fā)展網(wǎng)絡(luò)。

在已建碼頭上建立設(shè)站(圖1中測站1，測站2，測站的三維坐標已知)。

鋼絲按一定比例線段安裝目標點(圖1中的P1上，P2下)，P1安裝在鋼絲固定刻度上。

兩臺全站儀同時測量P1，P2的三維坐標，求解(實時)水下安裝定位點P點三維坐標。

移動引張鋼絲，P1，P2測量三組坐標，求解三次水下定位點坐標，最后，用三次坐標值解取其算術(shù)平均值，中間有粗差或者某1個超過平均值±2.5 cm的，則加測，以最終平均值作為水下安裝定位點P點三維坐標(X，Y，H)。

圖1中(P1上和P下連線)是在待安裝探頭井中點上固定并引一根強度高的鋼絲；鋼絲從水下向水面引張。

5　精度控制和質(zhì)量保證

5.1　精度控制措施

為了保證精度提升數(shù)據(jù)的可靠性，觀測過程中做了大量的改進以做到精度保證：

兩臺全站儀同時觀測，以消除儀器測量時的前后時差，減小風力的影響，確保觀測的上下兩個反射片和水下待測點始終在一條直線上；

在全站儀內(nèi)設(shè)置好測量模式，每一組數(shù)據(jù)都要測量三次然后取平均值，如果其中一次的數(shù)據(jù)相差較大則要重新測量，直至三次測量的結(jié)果相差較小后才計算保存為最后的結(jié)果；

每一個水下的待測點觀測三組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的空間直線方程不同，即水下的待測點保持不動而將鋼絲繩上端分別掛在不同的三個滑輪上，盡量垂直以減少水流影響。三組數(shù)據(jù)計算的結(jié)果相互之間的差別不能超過本次項目限差要求；

為了減小上下兩段的比例誤差，盡可能把上段兩個反射片的距離加大，這樣就可以將上下兩段的比值提高，使直線方程更精確，從而提高測量精度。

在測量的過程中每天均需復(fù)測控制點坐標，以檢查控制點是否有位移，也可增加自由設(shè)站模式，減少對點誤差(因為沒造觀測墩)，用5個～6個點進行后方交會，剔除粗差后得到測站坐標，再以其中一個加密控制點為后視進行觀測。

5.2　其他質(zhì)量保證措施

固定測量人員和儀器以盡可能減少誤差，固定時間段按基本相同的路線，以減少溫度、濕度的影響，用相同的測試方法進行測試，以減少不同方法間的系統(tǒng)誤差。

儀器除了法定計量檢測機構(gòu)進行校驗，經(jīng)檢驗合格并在有效期內(nèi)方可使用，在每天測量之前均應(yīng)對所使用的儀器進行自檢，并詳細記錄自檢情況。

對棱鏡安裝位置和鋼絲保持常態(tài)化檢查，對目標點、測站點進行保護措施，避免受到施工影響。

6　比較與結(jié)論

進行抽檢，部分復(fù)檢和校核成果如表1所示。

表1　抽檢坐標對比表

表1表明，這種方法能夠精確測定水下建(構(gòu))筑物的三維坐標，能夠保證坐標在±5 cm的限差內(nèi)。