水利測(cè)量中測(cè)深儀與GPS技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

游興彪

(撫順市水利建筑工程處，遼寧 撫順 113008)

極坐標(biāo)、側(cè)方、前方和后方交會(huì)等為傳統(tǒng)的測(cè)繪定位方法，這些方法作業(yè)效率低、操作繁瑣且定位精度往往不高。此外，采用傳統(tǒng)的方法獲取水下地形3維信息時(shí)較為困難。所以，如何快速、高精度的獲取水下地形3維信息成為工程勘測(cè)界、測(cè)繪界亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái)，GPS-RTK定位技術(shù)因具有不必點(diǎn)間通視、施測(cè)靈活、減少工作量、不受天氣限制、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于水利測(cè)量領(lǐng)域，其操作規(guī)程與技術(shù)方法也日趨成熟。GPS系統(tǒng)具備全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)、全球性定位和導(dǎo)航功能，可以獲取高精度3維時(shí)間、速度、坐標(biāo)滿足各類用戶要求。目前，GSP-RTK定位技術(shù)以平面1ppm+10mm、高程1ppm+20mm精度為主。隨著科技的進(jìn)步和水利事業(yè)的快速發(fā)展，在海洋水深、庫(kù)容、水庫(kù)和航道地形測(cè)量等領(lǐng)域測(cè)深技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)水利工程或河道水下定位點(diǎn)高程、坐標(biāo)利用測(cè)深儀與GPS-RTK技術(shù)測(cè)量，能夠綜合兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量方法存在的不足，顯著提升測(cè)量精確度和效率，為促進(jìn)水利事業(yè)發(fā)展和推廣水利測(cè)量技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)[1-3]。

1 水利測(cè)量中的應(yīng)用要點(diǎn)

1.1 GPS-RTK技術(shù)

GPS-RTK定位系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)傳輸、基準(zhǔn)站和流動(dòng)站三大部分，其工作原理以局域差分法為基礎(chǔ)：基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、載波相位觀測(cè)值、偽距、接受機(jī)與衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)傳輸給流動(dòng)站，流動(dòng)站同步完成基準(zhǔn)站信息的接受和GPS載波相位數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)差分計(jì)算求解基準(zhǔn)站間與流動(dòng)站坐標(biāo)差(△X、△Y、△Z)、整周模糊度等數(shù)據(jù)，從而獲取坐標(biāo)系統(tǒng)下流動(dòng)站位置坐標(biāo)值。最終，經(jīng)參數(shù)轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理獲取3維坐標(biāo)系統(tǒng)下流動(dòng)站的坐標(biāo)。

對(duì)外界環(huán)境、地形和地勢(shì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法要求較高，必須完全符合相關(guān)要求方可測(cè)量，較傳統(tǒng)的測(cè)量方式GPS-RTK技術(shù)存在明顯的差異，該技術(shù)適用范圍廣且對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低，外界環(huán)境對(duì)該技術(shù)的影響程度較低。此外，GPS-RTK技術(shù)較傳統(tǒng)的測(cè)繪方法大大提高了定位的精確度，并且顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院图皶r(shí)性，加之能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)接受與傳輸實(shí)時(shí)差分?jǐn)?shù)據(jù)，確保了動(dòng)態(tài)定位的精準(zhǔn)度，該技術(shù)是一項(xiàng)結(jié)合現(xiàn)代通訊和衛(wèi)星定位功能的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)新型定位技術(shù)[4-6]。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中GPS-RTK技術(shù)主要有偽距離測(cè)量和載波相位測(cè)量?jī)煞N模式，這兩種作業(yè)模式都需要配合基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的架設(shè)，在兩站間信號(hào)傳輸時(shí)該測(cè)量技術(shù)受到距離的限制，所以建設(shè)過(guò)程中兩站間的距離不能超出一定范圍，否則將對(duì)定位準(zhǔn)確性和測(cè)量精度產(chǎn)生影響。隨著網(wǎng)絡(luò)通訊和現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步提高實(shí)際測(cè)繪時(shí)該技術(shù)的可靠性。

1.2 測(cè)深儀技術(shù)

回聲測(cè)深原理為測(cè)深儀技術(shù)的主要依據(jù)，其工作流程為：換能器發(fā)射聲波→傳送至海底引起反射→換能器接受→求解聲波發(fā)射、接受時(shí)間差→經(jīng)數(shù)學(xué)模型適當(dāng)修正獲取聲波的傳播距離，通過(guò)以上轉(zhuǎn)換處理可以求解對(duì)應(yīng)的水深值h深。采用簡(jiǎn)化模式下的計(jì)算公式求解水深值，即：h深=C·t/2，其中t、C為聲波往返于海底的時(shí)間和水中聲波傳播速度。

現(xiàn)代化測(cè)深系統(tǒng)中測(cè)深儀技術(shù)占據(jù)著重要地位，為充分發(fā)揮探測(cè)儀功能還要配合水深采集軟件、工控電腦等聯(lián)合應(yīng)用。一般情況下，多波束和單波束測(cè)深儀為比較常用的水利測(cè)量設(shè)備類型。其中，換能器為主要功能設(shè)備，水下作業(yè)過(guò)程中換能器往往會(huì)產(chǎn)生蜂鳴噪音，為防止對(duì)回聲接受產(chǎn)生影響必須對(duì)噪音實(shí)行有效的控制。在原有變頻功能的基礎(chǔ)上一些基于回聲原理的測(cè)深系統(tǒng)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了回聲，為了靈活操作與設(shè)定斷面部分系統(tǒng)作了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)調(diào)整，按預(yù)設(shè)的制定斷面測(cè)深儀可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量作業(yè)。此外，水下地形因素可在一定程度上對(duì)水利測(cè)量作業(yè)產(chǎn)生影響，其中散點(diǎn)法和測(cè)深線法為工程實(shí)際中較為常見(jiàn)的測(cè)點(diǎn)布設(shè)法，為確保測(cè)量的有效性、科學(xué)性應(yīng)考慮測(cè)量任務(wù)要求和實(shí)際環(huán)境條件，科學(xué)設(shè)計(jì)測(cè)量航線。因此，要準(zhǔn)確把握測(cè)線間距與方向，測(cè)線間距應(yīng)防止出現(xiàn)空白或疊加現(xiàn)象，可以適當(dāng)加密關(guān)鍵區(qū)域，而測(cè)線方向要最大限度的保持垂直于預(yù)計(jì)等深線[7-9]。

1.3 兩種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

1.3.1 GPS坐標(biāo)參數(shù)的合理轉(zhuǎn)換

確保GSP坐標(biāo)參數(shù)的適應(yīng)性為綜合應(yīng)用測(cè)深儀與GPS-RTK技術(shù)的重要前提，考慮到測(cè)量過(guò)程中不同地區(qū)的GSP坐標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，所以水利測(cè)量前要對(duì)坐標(biāo)參數(shù)按照實(shí)測(cè)坐標(biāo)差異調(diào)整轉(zhuǎn)換。例如，測(cè)量使用的北京54坐標(biāo)和實(shí)測(cè)的WGS-84坐標(biāo)，有必要選用四參數(shù)法對(duì)其轉(zhuǎn)換處理，主要流程為：在河道下游和上游端設(shè)置S1、S2、S3三個(gè)已知點(diǎn)，然后選擇某高點(diǎn)位置(一般為河道中間)架設(shè)基準(zhǔn)站，并對(duì)RTK流動(dòng)站按照程序進(jìn)行安裝，相關(guān)鏈接的設(shè)置應(yīng)符合合理性要求，接受基準(zhǔn)站差分信號(hào)后其解應(yīng)屬于固定解，該條件下代表流動(dòng)站與基準(zhǔn)站能夠成功接受、發(fā)射差分信號(hào)；最后，在已知點(diǎn)S1、S2處架設(shè)流動(dòng)站，對(duì)接受的衛(wèi)星數(shù)據(jù)做平滑處理獲取WGS-84坐標(biāo)下的S1、S2點(diǎn)數(shù)據(jù)，為得到本地區(qū)相應(yīng)的坐標(biāo)引入四參數(shù)轉(zhuǎn)換方式對(duì)以上數(shù)據(jù)處理，最終可以確定已知點(diǎn)四參數(shù)。測(cè)量轉(zhuǎn)換過(guò)程中尺度因子應(yīng)滿足1.000或0.9999精度要求，由此保證獲取的參數(shù)精度，否則要重新采集點(diǎn)位數(shù)據(jù)，以及再次完成參數(shù)轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換之后的參數(shù)輸送至接收站，并對(duì)S3點(diǎn)坐標(biāo)校核，特殊情況下還可實(shí)行補(bǔ)測(cè)工作，待符合預(yù)設(shè)精度目標(biāo)后可以用于流動(dòng)站坐標(biāo)的測(cè)量。

1.3.2 GPS-RTK與測(cè)深儀的結(jié)合應(yīng)用

將GPS-RTK的流動(dòng)站與測(cè)深儀結(jié)合為一體是綜合應(yīng)用兩項(xiàng)技術(shù)的主要內(nèi)容(見(jiàn)圖1)，通過(guò)固定于測(cè)量船只周圍以及選用合適的轉(zhuǎn)換計(jì)算方法，可以對(duì)水下各相應(yīng)測(cè)點(diǎn)高程信息利用流動(dòng)站所采集和回傳的數(shù)據(jù)類確定。在測(cè)深軟件的水深數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航、自動(dòng)同步定位等功能正常的情況下，測(cè)深系統(tǒng)可以確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集，以及數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度和可靠性。此外，實(shí)際作業(yè)過(guò)程中測(cè)深系統(tǒng)與GPS-RTK系統(tǒng)保持相對(duì)獨(dú)立，為防止出現(xiàn)時(shí)鐘誤差對(duì)兩系統(tǒng)產(chǎn)生影響，需要對(duì)各項(xiàng)功能的系統(tǒng)時(shí)間以GPS時(shí)鐘為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)定。測(cè)量作業(yè)正式開(kāi)始前，為減少測(cè)量誤差必須利用鋼尺準(zhǔn)確測(cè)量流動(dòng)站天線偏差、水面至天線高等，并利用測(cè)深軟件及配套的電腦設(shè)備輸入測(cè)得的數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列轉(zhuǎn)換處理設(shè)定至RTK手薄，針對(duì)已知點(diǎn)水面高程數(shù)據(jù)利用岸上的全站儀設(shè)備測(cè)量，并對(duì)水深利用測(cè)尺測(cè)量，對(duì)比分析測(cè)深儀與GPS-RTK測(cè)量數(shù)據(jù)，在符合一致性要求的情況下開(kāi)始測(cè)量作業(yè)[10-12]。以每隔十秒的頻次對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、發(fā)送，通過(guò)分析與篩選保留有效的數(shù)據(jù)信息，為保證測(cè)量精度還需要測(cè)量已知的三個(gè)點(diǎn)，以平均誤差判斷測(cè)量結(jié)果的可靠性，從而獲取能夠滿足精度要求的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖1 聯(lián)合作業(yè)系統(tǒng)

1.3.3 實(shí)測(cè)技術(shù)分析

實(shí)際作業(yè)過(guò)程中利用聯(lián)合系統(tǒng)時(shí)，受兩技術(shù)同步時(shí)差、RTK高程精度、船體搖擺、采樣速率等條件作用，測(cè)量結(jié)果通常會(huì)出現(xiàn)一定偏差。所以，必須考慮以下問(wèn)題保證實(shí)際作業(yè)中測(cè)量結(jié)果精度，即：

1)修正船體擺動(dòng)姿勢(shì)。船體姿勢(shì)受波動(dòng)瞬時(shí)變化的影響發(fā)生相應(yīng)的改變，在無(wú)驗(yàn)潮模式下這種變化對(duì)GPS水下測(cè)量產(chǎn)生較大的影響，因此必須采取相應(yīng)的對(duì)策。將觀測(cè)值利用姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正以降低波浪的影響，其中姿態(tài)補(bǔ)償主要有高程與位置的修正。

2)采樣延遲和速率產(chǎn)生的誤差。測(cè)深儀與RTK聯(lián)合作業(yè)時(shí)，每個(gè)點(diǎn)必須保證有2-3個(gè)同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，由此方可確保3維點(diǎn)位做報(bào)的可靠性。然而數(shù)字測(cè)深儀的輸出速率與GPS采樣、數(shù)據(jù)傳輸速率可能具有時(shí)間上的延遲，從而對(duì)瞬時(shí)采集密度與精度產(chǎn)生直接影響。因此，延遲校正時(shí)有必要適當(dāng)調(diào)整該誤差，通過(guò)求解斜坡往返測(cè)量值和利用以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取該調(diào)整值。

3)基準(zhǔn)站的合理選擇。所選基準(zhǔn)站的位置可在一定程度上對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Ь嚯x產(chǎn)生影響，基準(zhǔn)站位置的合理選擇可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芎膿p，保證數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)降低自然環(huán)境可能產(chǎn)生的多路徑誤差。此外，考慮到發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)和接受的衛(wèi)星信號(hào)較多的實(shí)際情況，應(yīng)盡可能在無(wú)大范圍干擾和遮蔽無(wú)線電的區(qū)域設(shè)置基準(zhǔn)站，一般將基準(zhǔn)站架設(shè)于地勢(shì)較高和視野開(kāi)闊的位置。

4)RTK高程可靠性分析。一直以來(lái)，采用RTK高程測(cè)量水深的可靠度問(wèn)題備受關(guān)注，正式作業(yè)前應(yīng)對(duì)比驗(yàn)潮觀測(cè)水位和RTK無(wú)驗(yàn)潮水位，結(jié)果發(fā)現(xiàn)能夠滿足精度要求。因此，在無(wú)法獲取潮位資料的條件下，這種作業(yè)方法仍然滿足可靠性和精準(zhǔn)度要求。

2 兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

將測(cè)深儀與GPS-RTK技術(shù)相結(jié)合能夠兼具兩者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更好的發(fā)揮技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，可以體現(xiàn)在以下方面：從高程與平面定位的角度，兩項(xiàng)技術(shù)都能夠達(dá)到厘米級(jí)定位精度，該水平可以符合大部分水利測(cè)量的準(zhǔn)確度要求；從測(cè)量效率的層面，測(cè)量時(shí)GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用無(wú)需配備過(guò)多的工具、設(shè)備，并且具有良好的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量效果和功能，所以可以大大降低對(duì)物力、人力的投入，由于具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析與處理功能，在大大提高測(cè)量作業(yè)效率的同時(shí)還可明顯減輕測(cè)量人員壓力及工作強(qiáng)度；兩種技術(shù)的結(jié)合測(cè)量不易受水面變化的影響，水面條件要求低且能夠保證測(cè)量數(shù)據(jù)精度，持續(xù)不間斷連續(xù)測(cè)量可以大大降低測(cè)量的時(shí)間成本，有效解決傳統(tǒng)測(cè)量方法受時(shí)間、環(huán)境等因素的限制。

3 結(jié) 語(yǔ)

科學(xué)準(zhǔn)確的水利測(cè)量數(shù)據(jù)為充分發(fā)揮水利工程功能效益的重要保障，精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)也是推動(dòng)水利事業(yè)發(fā)展和水資源合理開(kāi)發(fā)的可靠依據(jù)，因此深入研究與分析水利測(cè)量技術(shù)具有重要意義。將測(cè)深儀與GSP-RTK技術(shù)相結(jié)合極大的推動(dòng)了水利測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)水利工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度、工期目標(biāo)和水利勘測(cè)設(shè)計(jì)質(zhì)量提供科學(xué)指導(dǎo)。