GPS-RTK技術(shù)結(jié)合HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀在測(cè)量水下地形中的應(yīng)用

文小勇

摘? 要：文章以河道整治項(xiàng)目為例，將直接采用GPS-RTK實(shí)測(cè)水底高程與GPS-RTK配合測(cè)深儀計(jì)算水底高程的兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)字化測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的測(cè)量精度及其可靠性。這種方法的應(yīng)用，不僅為疏浚河道、清淤開挖、監(jiān)測(cè)淤積提供了更為精確的三維數(shù)據(jù)，也最大限度的降低了作業(yè)強(qiáng)度、提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：河道整治;GPS-RTK;測(cè)深儀;測(cè)量精度;可靠性;水下地形測(cè)量

中圖分類號(hào)：P229.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）33-0175-04

Abstract： Taking the river improvement project as an example， this paper compares the two methods of GPS-RTK measured underwater elevation and GPS-RTK with depth sounder to calculate the underwater elevation， and verifies the measurement accuracy and reliability of digital sounder in underwater topography measurement.The application of this method not only provides more accurate three-dimensional data for dredging river channel， dredging excavation， monitoring siltation， but also minimizes the working intensity and improves production efficiency.Keywords： river remediation; GPS-RTK; depth sounder; measurement accuracy; data reliability; underwater topography measurement

引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的迅速增長(zhǎng)，生態(tài)環(huán)境、濕地公園的關(guān)注度日益明顯。工業(yè)文明在給人們帶來生活便利的同時(shí)，也給原生態(tài)的環(huán)境帶來了大量物種瀕臨滅絕的破壞。為了逐步改善當(dāng)前狀況，國(guó)家大力提倡對(duì)湖泊、近海、河道的整治和防護(hù)工作。因此，河道疏浚、清淤開挖、淤積監(jiān)測(cè)相關(guān)的測(cè)繪項(xiàng)目正在逐年增多。

1 水下地形測(cè)量相關(guān)技術(shù)原理

確定地球表面任何一點(diǎn)的位置，需要同時(shí)知道其平面位置及高程。由于水底不可見、儀器無法抵達(dá)等因素，水下地形的準(zhǔn)確測(cè)量一直是測(cè)量界亟待解決的問題。GPS-RTK實(shí)時(shí)定位技術(shù)與HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀的完美結(jié)合，以無人船作為數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)，按照設(shè)計(jì)好采集路線及間隔，即可準(zhǔn)確獲取水底任意一點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在為淤積監(jiān)測(cè)、清淤開挖方量計(jì)算提供更為準(zhǔn)確、可靠數(shù)據(jù)的同時(shí)，也大大提高了工程效率。

1.1 GPS-RTK測(cè)量技術(shù)

RTK（Real-Time Kinematic）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)，因其具有定位速度快、精度可靠、全天候等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于地形測(cè)量、施工放樣及普通控制測(cè)量中。近些年，GPS發(fā)展迅速，CORS系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)RTK的建立，“北斗”、“千尋”等定位技術(shù)，利用虛擬基站開拓了新模式。用戶擺脫了傳統(tǒng)的1（基準(zhǔn)站）+N（流動(dòng)站），只需要使用移動(dòng)端，即可獲取任意點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，極大的提高了工作效率。但是，由于水面多路徑效應(yīng)、高壓電線干擾、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較差等因素，網(wǎng)絡(luò)RTK仍然有其局限性，在某些地方難以獲取固定解。

GPS-RTK主要由基準(zhǔn)站、電臺(tái)、移動(dòng)端組成。基準(zhǔn)站接收機(jī)觀測(cè)GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過配套電臺(tái)發(fā)送給移動(dòng)端，移動(dòng)端同時(shí)接收GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和電臺(tái)發(fā)送的信號(hào)，利用載波相位差分原理，進(jìn)行雙差模糊度求解、基線向量解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取三維坐標(biāo)（圖1）。

1.2 HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀測(cè)量技術(shù)

水深測(cè)量常用的方法是利用超聲波回聲定位。其原理是根據(jù)超聲波遇到不同介質(zhì)產(chǎn)生的反射的現(xiàn)象，計(jì)算聲波發(fā)射、返回時(shí)間差，再根據(jù)超聲波在不同溫度、鹽度、深度中的速度進(jìn)行水深解算。

數(shù)據(jù)采集前，將換能器探頭固定于船體，在目標(biāo)區(qū)域選取特征水位開始進(jìn)行聲波速度測(cè)試。假設(shè)超聲波傳播速度為v，聲波由換能器發(fā)射至水底，再反射至探頭的時(shí)間為？駐t，則水底至換能器的距離即為

由于水底地形的不可知性，聲波信號(hào)會(huì)受到各種干擾。為了提高水深測(cè)量的可靠性，HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀實(shí)時(shí)顯示測(cè)深狀況，通過調(diào)節(jié)脈寬、信號(hào)閥值、增益控制等技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控，使測(cè)量數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定可靠。

1.3 GPS-RTK與HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀技術(shù)的結(jié)合

水下地形測(cè)量?jī)x器通常使用測(cè)深桿、測(cè)深錘、超聲波測(cè)深儀、多波束超聲測(cè)深系統(tǒng)以及海底地貌探測(cè)儀等。對(duì)于河道、淺灘、港灣等工程量不大的區(qū)域，利用測(cè)深桿、測(cè)深錘不僅效率不高，位置、深度數(shù)據(jù)的同步性也難以把握。因此，超聲波測(cè)深儀的推廣使用成為了一種必然。GPS-RTK技術(shù)與HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀的結(jié)合，完美融合了兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了測(cè)量技術(shù)服務(wù)生產(chǎn)、優(yōu)化生產(chǎn)效率的宗旨。這種在實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)用性、創(chuàng)造性，為不可知的水下地形測(cè)量提供了一種全新的方法。

水下地形測(cè)量的內(nèi)容主要分為定位和水深兩部分。使用GPS-RTK的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分進(jìn)行厘米級(jí)定位（±0.01m+1ppm），配合HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀的實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)獲取水深（±0.01m+0.1%h），即可以確定水底任意一點(diǎn)高程：

其中，Gi為水底任意一點(diǎn)高程，Hi為與水底任意一點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的水面高程，h為水底任意一點(diǎn)至測(cè)深儀換能器距離，？駐h為測(cè)深儀換能器的吃水深度。

水底任意一點(diǎn)的平面位置，可以通過鉛垂線引至水面上。通過在船體上固定GPS-RTK儀器確定其平面位置（Xi，Yi）和高程Hi，進(jìn)而獲取水底任意一點(diǎn)三維坐標(biāo)（Xi，Yi，Gi），繪制水底地形。測(cè)量時(shí)，換能器底部中心點(diǎn)的坐標(biāo)、高程由GPS-RTK測(cè)出，該點(diǎn)水深通過HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀測(cè)出。因此，水底任意一點(diǎn)的高程Gi通過GPS-RTK實(shí)測(cè)的水面高程減去測(cè)深儀測(cè)量出的水深獲取，GPS-RTK實(shí)時(shí)測(cè)量的換能器中心點(diǎn)坐標(biāo)即為水底任意一點(diǎn)坐標(biāo)。

2 水下地形測(cè)量實(shí)施

測(cè)量水下地形與常規(guī)地形測(cè)量一樣，首先都是要進(jìn)行測(cè)區(qū)控制網(wǎng)布設(shè)，并確?？刂泣c(diǎn)精度符合相關(guān)技術(shù)要求。以下從幾個(gè)方面對(duì)GPS-RTK技術(shù)結(jié)合HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2.1 測(cè)區(qū)概況

本工程為某縣范圍內(nèi)的一段河道，東西長(zhǎng)約7Km，南北寬約800m。按照項(xiàng)目要求，需要對(duì)本段河道及其兩側(cè)河灘進(jìn)行清淤開挖、方量計(jì)算。平面坐標(biāo)系及高程系統(tǒng)均采用當(dāng)?shù)鬲?dú)立系統(tǒng)，測(cè)量?jī)x器采用中海達(dá)V60GPS-RTK配合HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀。

2.2 測(cè)前準(zhǔn)備

首先，架設(shè)基準(zhǔn)站，設(shè)置流動(dòng)站。根據(jù)測(cè)區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)，求取轉(zhuǎn)換參數(shù)，移動(dòng)基站時(shí)進(jìn)行點(diǎn)校正。然后，將測(cè)深儀固定在測(cè)深船上，設(shè)置好測(cè)深儀相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)GPS-RTK與HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀連接。由于此區(qū)域河道水深較淺，為了防止損壞換能器，采用繩索綁扎在船舷旁，一人時(shí)刻扶住測(cè)桿，水深顯示小于50cm時(shí)及時(shí)傾倒測(cè)桿，避免損壞測(cè)桿底部探頭。

2.3 數(shù)據(jù)采集

連接好設(shè)備后，開始進(jìn)行必要的軟件調(diào)試，確保GPS-RTK天線接收機(jī)與HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀換能器在同一鉛垂線，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

按照新建任務(wù)→坐標(biāo)參數(shù)設(shè)置→設(shè)備連接→船型設(shè)置→設(shè)計(jì)航線→測(cè)深測(cè)量的流程進(jìn)行操作，獲取水底地形數(shù)據(jù)（圖3）。

由于此段河道水深較淺，水面情況復(fù)雜，難以使用無人測(cè)船根據(jù)規(guī)劃測(cè)線進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。需要進(jìn)行人為控制，遇到水淺地方及時(shí)改變航向，甚至擱淺時(shí)人力輔助。當(dāng)出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)失鎖、水下障礙等特殊情況時(shí)，配合測(cè)深桿進(jìn)行人工測(cè)量，在進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，及時(shí)予以分析、修正。

2.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測(cè)深儀自帶數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

2.4.1 水深取樣

測(cè)量過程中，由于衛(wèi)星信號(hào)失鎖、水下障礙等特殊情況，可能會(huì)導(dǎo)致個(gè)別待測(cè)點(diǎn)水深為假水深。因此，需要先進(jìn)行水深改正，改正錯(cuò)誤水深值，再按照測(cè)量時(shí)間間隔、測(cè)線測(cè)點(diǎn)距離間隔或者手動(dòng)選取進(jìn)行取樣。

通常采用的水深改正方法：（1）人工比對(duì)，沿測(cè)線仔細(xì)觀察水深變化曲線，是否存在突變點(diǎn)。先查看解的狀態(tài)或者是否有使用測(cè)深桿進(jìn)行實(shí)測(cè)對(duì)比，兩者均不合格后，參考該點(diǎn)附件的水深數(shù)值變化趨勢(shì)予以改正。（2）人機(jī)交互，使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)濾波的方法進(jìn)行分析比對(duì)。將初始數(shù)據(jù)水深突變點(diǎn)根據(jù)中值濾波法、加權(quán)平均法或者統(tǒng)計(jì)學(xué)法先進(jìn)行自動(dòng)改正，然后再人工進(jìn)行比對(duì)，對(duì)算法處理錯(cuò)誤的水深點(diǎn)進(jìn)行糾正。

2.4.2 數(shù)據(jù)改正

數(shù)據(jù)采集前，需要對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、延遲、吃水、聲速等進(jìn)行典型水域試驗(yàn)，求取改正值，輸入測(cè)深儀。如果直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也可在獲取水深后對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理（圖4）。

2.4.3 潮位改正

由于信標(biāo)差分或SBAS差分解算的高程定位精度較低，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。因此，必須通過潮位改正獲取水底高程。潮位改正的方法通常是：固定水位法、單站改正法、區(qū)域改正法。

但是，本文所應(yīng)用案例，是基于GPS-RTK與HiMAX數(shù)字化測(cè)深儀進(jìn)行的實(shí)時(shí)測(cè)量。由于GPS-RTK在固定解的狀態(tài)下，位置坐標(biāo)精度可以達(dá)到厘米級(jí)，測(cè)深儀穩(wěn)定情況下水深精度亦可達(dá)到厘米級(jí)。所以，可以通過 RTK 采集的水面高程來獲取水底高程，而不必進(jìn)行潮位改正。

2.5 地形繪制與成圖

數(shù)據(jù)改正完成后，即可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。利用南方Cass成圖軟件進(jìn)行展點(diǎn)、成圖。按照擬定的路線進(jìn)行檢查，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確后生成等高線、三維圖（圖5）。

3 精度影響因素分析

測(cè)量過程中，由于水流速度、波浪大小、船行速度等難以穩(wěn)定，會(huì)造成吃水深度不同程度的改變，因而會(huì)影響成果質(zhì)量。

聲速誤差也是影響水深測(cè)量的一個(gè)難以控制的因素。因?yàn)槁曀匐S著水下環(huán)境（水溫、水速、密度等因素）的影響，在時(shí)刻的變化。測(cè)量時(shí)盡量選擇情況相對(duì)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）架設(shè)基站的方法雖然信號(hào)穩(wěn)定，但是受距離影響。完成一個(gè)區(qū)域后需要重新架設(shè)基站，重新求取改正數(shù)，相對(duì)麻煩。如果網(wǎng)絡(luò)RTK能夠解決水面上快速鎖定，提供固定解的，對(duì)海洋測(cè)量成果質(zhì)量會(huì)是一個(gè)不小的提升。（2）在測(cè)深儀軟件改進(jìn)過程中，如果吃水深度能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量并實(shí)時(shí)輸入測(cè)深儀，對(duì)成果質(zhì)量一定會(huì)有較大的改善。（3）加強(qiáng)數(shù)據(jù)自動(dòng)化研究，實(shí)現(xiàn)淤積數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)防洪、泄洪，有效避免災(zāi)害發(fā)生。（4）測(cè)量技術(shù)的根本是服務(wù)生產(chǎn)，如何研究提高測(cè)量效率是提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本的有效途徑。

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