GPS—RTK配合數(shù)字測深儀在水下地形測量中的應(yīng)用分析

鄭根林

【摘 要】近些年來我國微型定位技術(shù)得到大幅度進(jìn)步，GPS價格處于持續(xù)下降的狀態(tài)，GPS-PTK應(yīng)用門檻隨之降低，所以相應(yīng)的GPS-RTK應(yīng)用范圍不斷拓展。對于我國水下地形測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度而言，因GPS-TRK及數(shù)字測探儀綜合應(yīng)用水平的不斷提升而逐漸升高，反之測量成本得到一定程度降低。本文由GPS-RTK技術(shù)的概述著手展開分析，并進(jìn)一步探討水下地形測量中GPS-RTK配合數(shù)字測深儀的具體應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】GPS-RTK；數(shù)字測深儀；水下地形測量

一、GPS-RTK技術(shù)概述

GPS-RTK和數(shù)字探測儀的有效結(jié)合使得水下地形測量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)運(yùn)行效率以及數(shù)據(jù)分析等得到大幅度提升，并直接影響水下地形測量的實(shí)施和測量結(jié)果的精準(zhǔn)程度。傳統(tǒng)水下地下測量方法是基于某個固定控制點(diǎn)對測距儀、全站儀、經(jīng)緯等設(shè)備進(jìn)行利用，以達(dá)成地下探測所需平面位置獲取的目的，然后借助測錘、回聲測深儀以及測深桿等工具對水下點(diǎn)的具體坐標(biāo)進(jìn)行獲取。此種測量方法對測量距離、天氣狀況、能見度、通訊條件以及儀器精準(zhǔn)度有非常高的要求，而且工作效率較低。近些年來電子聲納技術(shù)、GPS技術(shù)得到快速發(fā)展，因此GPS-RTK技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水下地形三維數(shù)據(jù)采集、傳輸以及觀測工作中，并實(shí)現(xiàn)了和數(shù)字測深儀的有效結(jié)合，從而對水下測量工作精準(zhǔn)度方面的需求進(jìn)行有效滿足。在水下地形測量系統(tǒng)中對GPS-RTK進(jìn)行應(yīng)用，相比傳統(tǒng)測量系統(tǒng)而言測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、測量工作效率等都得到大幅度提升，甚至在大幅度降低工作強(qiáng)度的同時對勞動條件進(jìn)行了有效改善。此外，可將當(dāng)前階段精密數(shù)字探測儀的自動化優(yōu)勢進(jìn)行發(fā)揮。

二、RTK技術(shù)及水深測量原理

基準(zhǔn)站、GPS接收機(jī)、無限電數(shù)據(jù)鏈電臺、發(fā)射天線、直流電源等是組成RTK系統(tǒng)的主要部分。RTK工作原理是設(shè)置其中一臺接收機(jī)為基準(zhǔn)站，設(shè)置另外一臺或者是幾臺接收機(jī)為流動站，基準(zhǔn)站和流動站對同一時段、統(tǒng)一GPS微型發(fā)射的信號進(jìn)行有效接受，然后對比基準(zhǔn)站獲取的觀測值和已知的位置信息，從而獲得GPS查分改正值。將此改正值利用無線電數(shù)據(jù)鏈電臺及時向公示衛(wèi)星的流動站接收機(jī)進(jìn)行傳遞，對其GPS觀測值進(jìn)行凈化，從而獲取經(jīng)差分改正之后流動站準(zhǔn)確的實(shí)時位置。當(dāng)前階段RTK平面精度已經(jīng)可以達(dá)到1厘米上下，對水下地形測量工作的實(shí)際需求進(jìn)行滿足，因此RTK技術(shù)可對傳統(tǒng)全站儀等一起測量平面位置的方法進(jìn)行取代。

三、GPS-RTK配合數(shù)字測深儀水下地形測量作業(yè)具體流程

相比傳統(tǒng)水下地形測量作業(yè)而言，水下地形測量工作中對GPS-RTK技術(shù)配合數(shù)字測深儀進(jìn)行應(yīng)用時除需對測量船只及側(cè)身設(shè)備進(jìn)行配備之外，還需準(zhǔn)備至少兩臺可實(shí)施RTK技術(shù)的GPS接收機(jī)，對測量作業(yè)進(jìn)行配合。實(shí)際作業(yè)過程中由專人負(fù)責(zé)架船，并由專人負(fù)責(zé)測深儀側(cè)身及GPS接受及定位測量的操作等，可將整個測量過程分為前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)整理三個部分。

1.前期準(zhǔn)備：首先，準(zhǔn)備兩套GPS-RTK，1臺測深儀、1個電瓶、1套水上測量或者是導(dǎo)航軟件、1套后處理軟件、便攜式電腦一部、插排和電源逆變器各1個、救生衣、鐵絲及繩子若干；其次，全面了解掌握待測量地區(qū)的地形、地理、水深以及天氣等情況，制定好相應(yīng)的水深測量路線和測量距離計劃。

2.數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集可分為具體實(shí)施測量前的工作準(zhǔn)備和水下地形測量作業(yè)兩個部分，本文將某港池巷道水下測量作業(yè)為實(shí)際案例展開分析。

實(shí)施測量前：首先將基站架設(shè)完成，將電臺及電臺發(fā)射進(jìn)行連接并確保處于良好運(yùn)行狀態(tài)；將GPS設(shè)備打開，直至衛(wèi)星燈顯示為常亮狀態(tài)；打開電子手薄進(jìn)入之程序界面進(jìn)行坐標(biāo)系、投影參數(shù)、圖定義及轉(zhuǎn)換參數(shù)的設(shè)置；設(shè)置航線。1：2000是本次工程的測圖比例要求，依據(jù)測量比例尺1：2000地形圖采集密度規(guī)定在測區(qū)垂直航道每間隔20米距離布設(shè)一條航線用于數(shù)據(jù)的測量和采集。

水下地形測量：設(shè)立基準(zhǔn)站并將控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行輸入；為了對各項參數(shù)和坐標(biāo)輸入的正確性進(jìn)行保證，需利用流動站接收機(jī)至附近的已知點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，確定滿足精準(zhǔn)要求之后再開展實(shí)際測量工作；在電腦上連接并安裝GPS接收機(jī)和數(shù)字化測深儀并將直流或者交流電源進(jìn)行連接，連接完成之后將系統(tǒng)啟動。將涵養(yǎng)測量成圖軟件和測深儀打開并確保為正常運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)、比如接收機(jī)數(shù)據(jù)格式、定位儀及測深儀接口、記錄設(shè)置、測深儀配置等，然后結(jié)合導(dǎo)航指示沿航線在測區(qū)內(nèi)進(jìn)行水深測量作業(yè)。測深儀探頭必須深入水下0.4米以上才可進(jìn)行測量，再加上吃水的問題存在，因此如水深在1米以下的淺水區(qū)域測深儀測量的精準(zhǔn)度較低。因此，此種淺水區(qū)域可對GPD-RTK直接應(yīng)用，以對水下地形點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程進(jìn)行測量并在電子手薄中進(jìn)行記錄。

3.數(shù)據(jù)整理

數(shù)據(jù)采集通過設(shè)定好的程序自動進(jìn)行，因此對于水下地形地貌特征的反應(yīng)不是特別準(zhǔn)確，因此需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步整理。先對測深儀測量出的水底斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，然后補(bǔ)點(diǎn)加密未采集到的水底變坡點(diǎn)坐標(biāo)和高程。在加密處理完所有數(shù)據(jù)之后，將測深儀存儲其內(nèi)獲取的觀測數(shù)據(jù)在數(shù)字成圖軟件進(jìn)行導(dǎo)入，從而相應(yīng)的等深線形成，進(jìn)行合理的圖面整飾后即可作為成圖輸出。

四、影響水深測量精度的因素探討及應(yīng)對措施提出

1.保證船速和測深儀采樣速度的匹配

通常情況下，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1s，測深儀設(shè)置為0.33s，也就是說在1s時間內(nèi)對3個數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。測深儀是將超聲波到達(dá)水底后放射回波作為依據(jù)確定水深，所以上述周期性采集方式下會受到船速的較大影響。如船速太高的話測量的水深數(shù)據(jù)和實(shí)際平面位置會發(fā)生較大誤差，因此在實(shí)際作業(yè)過程中應(yīng)對吃水深淺和電子線進(jìn)行經(jīng)常性檢查，并保證船只以8M/s的速度行駛。

2.吃水改正

吃水改正可具體分為動態(tài)吃水改正和靜態(tài)吃水改正。將換能器相對船體的位置作為依據(jù)可進(jìn)行相應(yīng)的集合關(guān)系求解。通常情況下動態(tài)吃水指的是作業(yè)船只確定為靜態(tài)吃水的狀態(tài)下因航行導(dǎo)致的船體吃水變化情況，測量時船只動態(tài)吃水應(yīng)用霍密爾公式進(jìn)行計算。

五、結(jié)束語

綜合上述所言，GPS-RTK配合數(shù)字測深儀在水下地形測量工作中的具體應(yīng)用，不僅可將作業(yè)效率進(jìn)行大幅度提升，而且測量成本得到有效降低，進(jìn)而水下地形測量工作簡單、經(jīng)濟(jì)、快捷、高效的目的得以達(dá)成，當(dāng)前階段已經(jīng)在水下地形測量工作中被越發(fā)廣泛的推廣和應(yīng)用。當(dāng)然在實(shí)際實(shí)施水下地形測量時因各地工作內(nèi)容和工作要求存在一定的區(qū)別，所采用的方法也存在一定的差異性，在具體應(yīng)用時需要結(jié)合被測量區(qū)域的實(shí)際地形、氣溫、風(fēng)向等對測量方法進(jìn)行調(diào)整，爭取將GPS-RTK配合數(shù)字測深儀的優(yōu)勢最大限度發(fā)揮，使得我國水下地形測量工作的整體水平得到持續(xù)提升。

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