GPS-RTK 有無驗(yàn)潮模式同步進(jìn)行水深測量研究

王志文，雷力軍

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

關(guān)鍵字：GPS 測量；GPS-RTK 無驗(yàn)潮模式；有驗(yàn)潮模式；水深測量

引言

水深測量一般采用驗(yàn)潮儀對水位進(jìn)行控制，這種水位控制方法可以提供高精度的水位結(jié)果，但投放在水里的驗(yàn)潮儀容易出現(xiàn)移動、丟失、破壞、被泥沙掩埋等情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或不可用，無法有效對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行水位改正，導(dǎo)致水深測量數(shù)據(jù)失效，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。GPS-RTK 能提供三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，目前已被廣泛應(yīng)用在多種測量工作場景中，其測量精度可達(dá)到cm 級。目前其應(yīng)用場景主要集中在陸地測量，水深測量應(yīng)用較少，出現(xiàn)這種情況的這主要原因是GPS-RTK 的工作有效半徑較小，基本在在10 km 左右。但若在GPS-RTK 有效工作半徑范圍內(nèi)，GPS-RTK 無驗(yàn)潮模式的水深測量可實(shí)時獲取水面高程數(shù)據(jù)，從而可避免因無水位數(shù)據(jù)導(dǎo)致水深測量結(jié)果失效造成的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。為了提高工作效率以及避免經(jīng)濟(jì)損失，在GPS-RTK有效工作范圍內(nèi)進(jìn)行水深測量時，可同時采用有驗(yàn)潮模式和GPS-RTK 無驗(yàn)潮兩種模式進(jìn)行水深測量，當(dāng)驗(yàn)潮儀未被破壞時采用有驗(yàn)潮模式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，反之采用GPS-RTK 無驗(yàn)潮模式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本文采用孟加拉某河道水深測量項(xiàng)目為依托，對其測量流程進(jìn)行梳理和研究以及探明GPS-RTK無驗(yàn)潮水深測量結(jié)果的精度如何。

1 水深測量工作原理

1.1 有驗(yàn)潮模式水深測量工作原理

水深測量時將自容式潮位儀安裝在專用驗(yàn)潮儀架中并置于水底，以防止觀測過程中出現(xiàn)移動。為傳算主驗(yàn)潮儀（從布設(shè)岸邊的驗(yàn)潮儀中選取一個）零點(diǎn)高程，測量期間在主驗(yàn)潮儀處同時進(jìn)行人工水位觀測。測量完畢后，采用同步期平均海平面法傳算驗(yàn)潮儀副站零點(diǎn)高程，進(jìn)而計(jì)算各驗(yàn)潮站各時刻水位[3-4]。水深測量原理示意圖可見圖1 所示。

圖1 水深測量原理示意圖

H2表示靜吃水，即換能器底端距海面的距離，可通過現(xiàn)場測量得到；

H3表示換能器底端距海低的距離，即測深儀的測量數(shù)據(jù)；

H4表示海底與海面之間的距離可用H2和H3表達(dá)，具體表達(dá)公式為H4=H2+H3。

測量結(jié)束后，根據(jù)驗(yàn)潮儀提供的水位數(shù)據(jù)W對測量得到的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行水位改正，從而得到海底高程h，可用公式表達(dá)如下：h=W-H4。

1.2 GPS-RTK 無驗(yàn)潮模式水深測量工作原理

水深測量時在陸地架設(shè)一臺GPS 基準(zhǔn)站提供差分信號，在測量船上安置一臺GPS 流動站接受基站的差分信號，從而獲取實(shí)時的坐標(biāo)和高程[5-6]。根據(jù)示意圖1 其工作原理可表達(dá)如下：

H1表示GPS 接收機(jī)天線到海面的距離，可通過現(xiàn)場測量得到。

H2、H3和H4的含義與上述相同。根據(jù)GPS接收機(jī)獲取的實(shí)時高程數(shù)據(jù)H 可計(jì)算相應(yīng)海底的高程h，其計(jì)算公式如下：h=H-H1-H4。

2 水深測量

我司在孟加拉博杜地區(qū)承擔(dān)了某河道水深測量任務(wù)，測區(qū)距離河流入?？诩s17 km，屬于感潮河段，潮汐影響水位變化可達(dá)2 m。為有效控制水位，減弱水位縱向落比差的影響，共布設(shè)5 個臨時潮位站SC1、SC2、SC3、SC4、SC5，將SC3 作為主潮位站并設(shè)立人工水位觀測站進(jìn)行人工水位觀測，用于引測其它各站潮位儀零點(diǎn)高程。

根據(jù)以往在孟加拉的工作經(jīng)驗(yàn)，投放的驗(yàn)潮儀非常容易被破壞和丟失。為了避免因驗(yàn)潮儀丟失導(dǎo)致水深測量工作失效，以及按時向業(yè)主提交數(shù)據(jù)資料，我司采用GPS-RTK 無驗(yàn)潮和有驗(yàn)潮雙模式水深測量同步進(jìn)行的方法進(jìn)行測量。本次水深測量使用中海達(dá)H32 型GPS 接收機(jī)、中海達(dá)HD370 型單波束測深儀和DCX-25PVDF 型自容式潮位儀。

2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算

為滿足三維水深測量的需求，選取了位于河道兩側(cè)的四個三維控制點(diǎn)K1、K2、K3、K4 和3 個高程點(diǎn)C1、C2 和MJ，采用GPS 靜態(tài)模式進(jìn)行聯(lián)測，進(jìn)而解算了測區(qū)內(nèi)WG4-84坐標(biāo)和大地高到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)以及高程的轉(zhuǎn)換七參數(shù)。

2.2 測量船舶動吃水

船舶航行時，因水動力作用會出現(xiàn)船體升沉現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會引起測深儀換能器吃水變化，其相對于靜態(tài)吃水的變化量為船舶動態(tài)吃水。采用“RTK 定位法”測定測量船在工作船速狀態(tài)下?lián)Q能器位置動吃水改正數(shù)[7]。

2.3 測量海水密度

自容式潮位儀是測量海水總壓力（水壓與氣壓之和）的設(shè)備，其中海水密度ρ是影響潮位儀計(jì)算水深的重要因素。海水密度受水溫、鹽度等因素共同影響，在不同季節(jié)、不同海區(qū)有著較大差異。因此為快速有效獲取本工程區(qū)域海水密度，用深度對比法（通過精準(zhǔn)測量潮位儀入水深度反算海水密度方法）實(shí)際測量投放位置的海水密度[8]。

2.4 測深儀設(shè)置

在測深儀測量軟件中進(jìn)行坐標(biāo)設(shè)置以及輸入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，并將測線導(dǎo)入到軟件中。

2.5 水位控制

本次河道測量水位觀測站均采用自容式潮位儀進(jìn)行水位觀測，自容式潮位儀是通過測量水壓（包括大氣壓）變化計(jì)算獲得水深數(shù)據(jù)的一種測量設(shè)備。根據(jù)水深測量進(jìn)展情況進(jìn)行水位觀測工作，水位站觀測時段信息見表1 所示。

表1 水位站觀測時段信息表

1）水位觀測

自容式潮位儀安裝在專用驗(yàn)潮儀架中并置于水底，以防止觀測過程中出現(xiàn)移動。數(shù)據(jù)采集時間間隔為10 分鐘，整10 分鐘時刻進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測，時間系統(tǒng)采用北京時。同步驗(yàn)潮期間為消除大氣壓影響，同時進(jìn)行大氣壓觀測。為傳算SC3 驗(yàn)潮儀零點(diǎn)高程，測量期間在SC3 處進(jìn)行人工水位觀測。

2）潮位站驗(yàn)潮儀零點(diǎn)高程求取及瞬時水位計(jì)算

根據(jù)潮位儀的觀測值（水壓和氣壓之和）、大氣壓觀測值通過公式(1)計(jì)算各時刻水深值。

式中：h 為水深值；P 為水壓觀測值（水壓和氣壓之和）；Ap 為大氣壓觀測值；g 為重力加速度（根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥扰c理論公式解算重力加速度，g=9.787565 m/s2）；ρ 為海水密度（用深度對比法計(jì)算獲得，ρ=1.020 kg/dm3）。

通過SC3 處人工水位觀測值與對應(yīng)的SC3 潮位站潮位儀的水深值，計(jì)算出該潮位站驗(yàn)潮儀的零點(diǎn)高程，從而計(jì)算得到該站各時刻水位。

以SC3 潮位站為主站，采用同步期平均海平面法傳算潮位站SC1、SC2、SC4、SC5 驗(yàn)潮儀零點(diǎn)高程，進(jìn)而計(jì)算各潮位站各時刻水位。

3）潮位站同步驗(yàn)潮數(shù)據(jù)分析

通過同步驗(yàn)潮數(shù)據(jù)，水位數(shù)據(jù)正常、無跳點(diǎn)、水位曲線圓滑且成正弦曲線。各潮位站之間的潮位差數(shù)據(jù)均相對于SC3 潮位站，見表2。

表2 潮位站潮時差及潮高差統(tǒng)計(jì)表

2.6 水深測量施測

測深儀換能器固定在船舷中部，量取換能器靜吃水值并在測深儀采集軟件中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，GPS接收機(jī)天線固定在測深儀換能器頂端，保證測深點(diǎn)與測深定位點(diǎn)在同一垂線上。

水深測量時將GPS 接收機(jī)連接測深儀，啟動測深儀中的電腦系統(tǒng)打開導(dǎo)航測深軟件，在軟件中進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、聲速等參數(shù)設(shè)定，待測深儀正常接收GPS RTK 信號后，啟動測深系統(tǒng)同步采集測深點(diǎn)定位數(shù)據(jù)及測深數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時間設(shè)定為北京時間。測深儀放置在駕駛室，船長按照測線行駛，測量人員監(jiān)視測深及導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集情況。測量過程中換能器安裝桿無傾斜、升降現(xiàn)象，定位數(shù)據(jù)和測深數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

每個工作日于測深前后均利用校驗(yàn)板進(jìn)行測深儀測深校正，實(shí)測各整米位深度，求出各整米位實(shí)際深度與實(shí)測水深的不符值，在數(shù)據(jù)處理時對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，以保證測深數(shù)據(jù)精度。

3 數(shù)據(jù)處理

水深測量外業(yè)結(jié)束后，使用中海達(dá)的《水深資料處理軟件5.50》進(jìn)行水深數(shù)據(jù)處理，分別通過三維水深測量數(shù)據(jù)處理方式和水位改正數(shù)據(jù)處理方式，兩種方式數(shù)據(jù)處理流程見圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

為檢查GPS-RTK 無驗(yàn)潮水深測量成果精度，與有驗(yàn)潮數(shù)據(jù)進(jìn)行了水深數(shù)據(jù)對比，選取了三種不同類型的斷面進(jìn)行比較，見圖3 所示。

圖3 兩種測量模式對比圖

通過圖3 可以看出，兩種測量模式得到的水深結(jié)果吻合度很好，水深結(jié)果在不同地形處的趨勢一致。為進(jìn)一步檢驗(yàn)無驗(yàn)潮模式的測量精度，將所有同名點(diǎn)得到的兩套高程值進(jìn)行差值計(jì)算，將差值數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體結(jié)果可見表3 所示。

表3 兩種模式測深結(jié)果比對表

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)結(jié)果，表明兩種測量方式具有良好的一致性，采用GPS-RTK 無驗(yàn)潮水深測量方式能夠滿足1:1000 及以上大比例尺的水深測量要求。

4 結(jié)語

采用有驗(yàn)潮模式的水深測量可以獲得高精度的水位測量結(jié)果，但驗(yàn)潮儀容易發(fā)生丟失、破壞等情況，會導(dǎo)致測量工作的失效，需要重新補(bǔ)測，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。GPS-RTK 無驗(yàn)潮水深測量可實(shí)時獲取水面高程，避免因缺少水位數(shù)據(jù)造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此在GPS-RTK 有效工作范圍內(nèi)的水深測量可采用這兩種測量模式同步進(jìn)行，當(dāng)驗(yàn)潮儀受到破壞時則采用無驗(yàn)潮的測量結(jié)果，既避免了經(jīng)濟(jì)損失又能按時提交測量數(shù)據(jù)。