大伙房水庫(kù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量應(yīng)用

孫博

（遼寧省大伙房水庫(kù)管理局，遼寧 撫順 113007）

大伙房水庫(kù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量應(yīng)用

孫博

（遼寧省大伙房水庫(kù)管理局，遼寧 撫順 113007）

大伙房水庫(kù)總庫(kù)容 22.68 億 m3，控制流域面積 5437km2。作為遼寧重點(diǎn)水利工程管理單位，掌握庫(kù)區(qū)泥沙水文數(shù)據(jù)必不可少。對(duì)水庫(kù)淤積進(jìn)行測(cè)量是獲取泥沙數(shù)據(jù)的重要手段。隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)量方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代水利管理的要求。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)因其具備全天候、精度高、作用距離遠(yuǎn)、效率高的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果，為以后水庫(kù)管理提供了及時(shí)，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)的組成及基本原理

其系統(tǒng)組成主要有數(shù)字化測(cè)深儀配備 GPS接收設(shè)備、無(wú)線電數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及支持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分的軟件系統(tǒng)四部分組成。

測(cè)量原理：首先在基準(zhǔn)點(diǎn)上設(shè)置參考站，連續(xù)接收可見(jiàn) GPS衛(wèi)星信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)實(shí)時(shí)地將測(cè)站坐標(biāo)及觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送到流動(dòng)站。流動(dòng)站在接收 GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，根據(jù)參考站傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，由軟件系統(tǒng)根據(jù)相對(duì)定位的原理進(jìn)行差分解算，實(shí)時(shí)地得出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及精度。

其次通過(guò)數(shù)字化測(cè)深儀的超聲波測(cè)出發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。 聲波在水中的傳播速度為 V，換能器（探頭）發(fā)出超聲波，聲波經(jīng)探頭發(fā)射到水底，并由水底反射回到探頭被接收，測(cè)得聲波信號(hào)往返行程所經(jīng)歷的時(shí)間為t，則：Z=Vt/2；同時(shí)根據(jù)探頭上固定桿的刻度可獲知水面與探頭之間的距離，即吃水深度，兩者之和即為最終水深。

最后采用如圖1所示的組裝，因?yàn)樗碌匦螠y(cè)量的主要任務(wù)是確定水下某一點(diǎn)的泥面標(biāo)高,即 A 點(diǎn)的平面坐標(biāo)（X，Y，Z）。Z=h0-b-s，其中水底高程 Z 只和 h0及 S 相關(guān)，與潮位無(wú)關(guān)，從而達(dá)到無(wú)驗(yàn)潮。h 為 GPS 天線到水面的距離（即天線高）；a為吃水；b 為換能器桿子的長(zhǎng)度（常數(shù)）；s為換能器底部到水底的深度；H 為水深；h0直接由 RTK實(shí)時(shí)測(cè)得。

另外：Z=h0-h-H=水位-H。其中 h0-h 即為常說(shuō)的水位。普通的 DGPS 測(cè)量的高程值 h0精度比較差，滿足不了要求，為了解決水下地形測(cè)量，在精度要求不高的地方需要人工的方法檢驗(yàn)潮位，這就是常規(guī)的驗(yàn)潮方法。

圖1 組裝示意圖

2 實(shí)際操作

2.1 設(shè)備的選擇

大伙房水庫(kù)進(jìn)行測(cè)量是采用的華測(cè) X91GNSS（1+1） 雙頻 RTK、華測(cè) D330 單頻測(cè)深儀、華測(cè)Hydronav 導(dǎo)航軟件、AUTOCAD 輔助成圖系統(tǒng)為主的軟硬件設(shè)備。以下都是以這些設(shè)備為例進(jìn)行操作說(shuō)明的。

2.2 前期的準(zhǔn)備工作

1）控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集，施工區(qū)域位置的確定，施工區(qū)域計(jì)劃線的繪制；

2）測(cè)深儀換能器的綁扎，換能器一般綁在距離船尾 1/3 為宜，吃水深度以超過(guò) 0.5m 為準(zhǔn)；

3）任務(wù)的建立，設(shè)置坐標(biāo)系、投影、轉(zhuǎn)換參數(shù)；

4）施工區(qū)域計(jì)劃線的繪制。

2.3 外業(yè)的數(shù)據(jù)采集

1）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)作業(yè)：將 GPS 基準(zhǔn)站架設(shè)在固定的位置，啟動(dòng)基準(zhǔn)站，用移動(dòng)站采集控制點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行點(diǎn)校正，再找另外一個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，檢測(cè)結(jié)果符合要求后，方可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

2）測(cè)深儀水深的比對(duì)：在進(jìn)行水深記錄之前，需進(jìn)行水深的比對(duì)工作，調(diào)節(jié)測(cè)深儀的聲速，確保測(cè)量深度在誤差范圍內(nèi)（一般在靜水條件下，用比對(duì)板在不同的深度進(jìn)行比測(cè)，也可用測(cè)深錘比對(duì)，通過(guò)調(diào)節(jié)聲速，達(dá)到要求）。

3）RTK 和測(cè)深儀的聯(lián)機(jī)調(diào)試：將 RTK 接收機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接上 D330 測(cè)深儀,設(shè)置好 GPS 和測(cè)深儀的數(shù)據(jù)格式，通過(guò)串口調(diào)試助手將信號(hào)連接通；坐標(biāo)的檢測(cè)：將 RTK 點(diǎn)校正的參數(shù)輸入到導(dǎo)航軟件中，檢測(cè)軟件顯示坐標(biāo)和手簿顯示的坐標(biāo)是否一致（注意：設(shè)置好天線高后導(dǎo)航軟件顯示的高程即為水位），檢測(cè)合格后方可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4）數(shù)據(jù)的采集和保存：打開(kāi)測(cè)深軟件，將水深測(cè)量圖像實(shí)時(shí)保存下來(lái)；打開(kāi)導(dǎo)航軟件，按設(shè)計(jì)好的計(jì)劃線，按 2m 一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)束后保存。

2.4 內(nèi)業(yè)處理及成圖輸出

1）內(nèi)業(yè)處理：將記錄好的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)取樣，去掉有粗差的水深點(diǎn)，通過(guò)后處理軟件生成坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件,數(shù)據(jù)格式為（點(diǎn)號(hào)，X，Y，Z）。

2）成圖輸出：將通過(guò)內(nèi)業(yè)處理好的坐標(biāo)文件通過(guò)繪圖軟件，直接可以顯示位置信息，生成等高線，斷面圖，三維立體效果圖，并可進(jìn)行土方量的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。

2.5 成果的檢驗(yàn)

同一地方不同方式比較：在距離碼頭 1km 位置設(shè)立自動(dòng)潮位儀，人工驗(yàn)潮的方式，對(duì)同一段進(jìn)行3次水深測(cè)量，無(wú)驗(yàn)潮方法測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)比對(duì)，水底高程差值基本小于 0.1m。

同一地方交叉測(cè)量：在測(cè)量的時(shí)候先縱向測(cè)3條線，再橫向測(cè) 3 條線，其中位置相交的地方進(jìn)行水深比較，水深互差在 0.1m 之內(nèi)。

3 作業(yè)中常見(jiàn)的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

1）RTK 作業(yè)： 基站盡量選擇地勢(shì)高且開(kāi)闊的地方，電臺(tái)天線要盡量高；電源電量要充足，否則也將影響到作業(yè)距離；基準(zhǔn)站位置變動(dòng)移動(dòng)站需要重新點(diǎn)校正；基準(zhǔn)站嚴(yán)禁自啟動(dòng)，斷電重新開(kāi)機(jī)需要重新校正；點(diǎn)校正完后才能采集數(shù)據(jù)，不能后處理。

2）測(cè)深儀：測(cè)深儀在測(cè)量之前和測(cè)量之后均需要進(jìn)行聲速校正；測(cè)量桿綁的時(shí)候盡量垂直且綁穩(wěn)，吃水在 0.5m 以上，且在距離船尾 1/3 左右位置為宜；記錄好測(cè)深圖像，后處理時(shí)，剔除殘差可以參考；船在航行的過(guò)程中，航速在 6 節(jié)以內(nèi)為宜；如果 GPS 的位置和換能器的安裝位置不一致，需進(jìn)行天線偏差改正；測(cè)深儀在貼近碼頭處或者水下亂石堆處需謹(jǐn)慎處理。

3）軟件：記錄限制為固定解；精確量取天線高( 天線至水面的高度)，測(cè)深儀吃水改正參考同一水平；不同廠家的 GPS 模型不一致，解算的參數(shù)不一樣。

4）其他：測(cè)量盡量選擇在平潮，風(fēng)浪比較小的時(shí)候測(cè)量；船在航行的過(guò)程中，盡量沿計(jì)劃線測(cè)量，偏差大的地方可以不記錄；軟件中左側(cè)顯示的GPS的坐標(biāo)和水面高程。

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在大伙房水庫(kù)的應(yīng)用，利用無(wú)驗(yàn)潮技術(shù)進(jìn)行淤積測(cè)量，使得淤積測(cè)量這項(xiàng)工程變得簡(jiǎn)單、方便、快捷、輕松、高效，極大的提高了生產(chǎn)效率，結(jié)合華測(cè)的 Hydronav 導(dǎo)航軟件，真正實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)測(cè)量。做為一種通過(guò)實(shí)踐考驗(yàn)的先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，值得在水深測(cè)量乃至其它水下地形測(cè)量中大力推廣應(yīng)用。

［1］徐紹銓，王澤民.GPS 衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用［M］.武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1998.

［2］吳子安，吳棟材.水利工程測(cè)量［M］.北京：測(cè)繪出版社，1998.

［3］李 碩.數(shù)字地形分析技術(shù)在分布式水文建模中的應(yīng)用［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2002，17（5）.

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