GPS RTK技術聯合數字化測深儀在水下地形測量中的應用

馬成武，趙紅旭，陳和權，豆澤軍

（中水東北勘測設計研究有限責任公司工程測繪公司，吉林長春130062）

水下地形圖不僅在水利水電工程勘測設計中是非常重要的基礎資料，而且在監測橋梁的安全、觀測水庫的淤積、防洪抗旱、河道治理等許多方面都有極大的用途。

水下地形測量主要包括定位和測深兩大部分。傳統的水下地形圖測量方法是：定位測量采用經緯儀交會法、經緯儀配合測距儀極坐標法、全站儀方式等獲得平面坐標；測深利用測深桿法、測量錘法（又稱鉛魚）和回聲測深儀等獲得該平面位置處的水深，從而推算出該位置的水下高程。隨著全球定位系統GPS技術的日益成熟，尤其RTK實時動態定位系統以其高精度、高效率、易操作的特點廣泛應用于各種測量和放樣，使用GPS RTK技術進行水下地形測量就比較方便、快捷了。

近年來，中水東北勘測設計研究有限責任公司工程測繪公司在吉林省豐滿水電站庫區、甘肅省劉家峽水電站庫區的水下地形測量和水下縱、橫斷面測量工作中，使用上海華測導航技術有限公司的產品華測X90系列雙頻GPS接收機、CHS-29型測深儀，取得了較好的測量效果，充分發揮了GPS RTK技術的定位功能和線路放樣特長，在提高測量成果精度的同時，使水下地形測量工作效率得到大幅度提高。

1 工作原理

水下地形測量中，測深儀的工作原理是利用超聲波穿透介質并在不同介質表面會產生反射的現象，利用超聲波換能器（探頭）發射超聲波，測出發射波和反射波之間的時間差來進行測量的。聲波在水中的傳播速度為V，換能器（探頭）發出超聲波，聲波經探頭發射到水底，并由水底反射回到探頭被接收，測得聲波信號往返行程所經歷的時間為t，則Z=Vt/2；同時根據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值。

目前我國大量使用的是單波束回聲測深儀，單波束回聲儀每次只能發射一束聲波，只能得到一個水深數據點，通過連續測量、記錄，最后以點連線。另外，如利用單波束回聲儀測量一個地區的水下地形，須先根據測圖比例和規范要求，預先確定測點和測線的間距，再用測量船逐線逐點進行連續測量，并通過內業處理和繪制水深圖。然后還可根據水深圖來繪制水下地形等深線圖或斷面圖。如果將測深儀與GPS技術相結合，利用現有的測量導航軟件、數據后處理軟件組成自動化水深測量及成圖系統，外業水深測量、導航、數據采集過程可完全實現自動化。若配合水深測量數據后處理軟件，將大大提高了水深測量的工作效率和經濟效益。

與傳統的水下地形測量方法相比，GPS RTK技術聯合數字測深儀進行水下地形測量的方法除了配備測量船只、測深設備外，還需至少2臺GPS（能實施RTK技術）接收機相配合進行作業。外業工作時，1人駕船、1人操作測深儀測深、1人操作GPS接收機進行定位測量。

實際作業過程大體上可以分為前期準備工作、外業數據采集、內業數據分析3個部分。

2 前期準備工作

1）物質準備。與陸地RTK測量不同，需要另外準備12 m或18 m串口數據線、計算機及相應設備（計算機需要配備2個串口和1個USB口）、電瓶2個、穩壓充電機2臺、UPS或相關穩壓設備、GPS外接電源線。

2）架設基準站。①如果基準站需要24 h工作，可以使用穩壓充電機（12 V）對電瓶邊充電邊使用；②啟動基準站需要用手簿啟動，最好把基準站的坐標記錄下來；③自啟動基準站，每次都需要進行控制點的校正。在已知點或是固定點上啟動基準站，此時需用手簿啟動基準站保證每次基準站發送的是同一坐標（推薦使用此方式）。

3）求解參數。可以按照華測點校正過程求解出水平平差和垂直平差，也可以求解7參數或3參數。以施工精度等具體情況而定。（說明：如果使用7參數或3參數需要把基準站架設在已知點上，并以已知點的坐標啟動基準站）。

4）數字測深儀安裝。首先安裝、固定換能器，固定換能器位置最好選擇在船體的中部船舷旁邊，這樣可以減少行駛時船首推出的浪涌對探頭的影響和干擾。使用船速快的測量船測量時測深桿必須略向后傾斜，需要增加前后拉繩進行加固，因為考慮到水流帶來的拖力和船行駛時的姿態是略微向上傾斜的。船速如果越快那么換能器吃水就要相對更深，內河中也要保證大于0.5 m，（要結合桿子的長短和實際作業的需要），安裝時測深桿一定要保持垂直，要加固和防止探頭松脫掉入水中或者電纜線不慎扯斷。在測深儀里面，吃水深度和聲速都可以在測量參數界面進行設置，輸入軟件參數設置。

5）連接GPS。華測CHS-29測深儀，既可以單獨作為一套測深儀使用和提供水深數據輸出，也可以將水上測量軟件加載于測深儀內部，然后外接GPS，起到同時采集坐標數據和水深數據的作用，該測深儀不僅用于測深同時，還起到一臺筆記本電腦的功能和作用。

6）把設計好的船形復制在水上軟件安裝目錄中的Boat文件夾中，打開設置中的船形選擇，選擇設計好的船形即可。

7）設計導入背景圖。

8）實施導航定位：把工作方式改為測量方式，就可根據船和計劃線的相對關系進行導航定位了。

3 外業數據采集

3.1 準 備

1）連接好儀器，打開GPS電源和電腦，如有其它外設，則要打開它們的電源。

2）將移動站設置好GPGGA數據輸出。

3）運行水上測量軟件主程序，打開新建的任務。

3.2 設 置

1）記錄——記錄限制（選擇“實時差分”或是“單點定位”）。

2）記錄設置。①在“數據記錄”頁，設置記錄間隔；②在“船跡記錄”頁，設置定位記錄方式；③在“記錄格式”頁，設置記錄坐標類型

3）設置接口。①設置定位儀接口；②設置測深儀接口。

4）設置數據格式，定位儀數據輸出格式。

5）設置測深儀。①在“數據格式設置”頁選擇測深儀；② 根據不同類型的測深儀對儀器做相關設置。

6）設置船形指示。

7）設置天線偏差改正數。

8）設置固定差改正數（將求出的固定偏差輸入即可）。

3.3 測量

1）記錄——開始記錄 。輸入測線名（測線名有字母、數字組成，不得大于6個字符）。

如果自動記錄，做好相關命名格式設置

2）記錄——結束記錄。

3）文件——退出 。

4）關閉電腦、GPS、外設，結束測量。

4 內業數據分析

在隨機 Hydronav軟件中的處理欄中有編輯定位文件、編輯水深文件、打印定位文件、定位文件系統差改正、水深文件系統差改正、HTT文件系統差改正、水深取樣、水深取樣打印、水深散點、測深儀誤差改正、動態吃水誤差改正、水深文件格式轉換、斷面資料、水深橫斷面等工具條。

其中，水深取樣是對外業測量數據按自己要求進行取樣，并進行初步處理的工具。可以按距離進行取樣，在采樣間隔中輸入距離間隔。可以自動處理，剔除錯誤數據，也可以手動處理，將錯誤的數據拖到似等深線上，處理完成后電擊重繪。最后保存（?.htt）或（?.ss）數據。

水深文件改正是將水深文件改正為所需格式的工具，可供選擇的格式有“坐標X，坐標Y，深度”等格式。

5 實地測深時應注意的問題

安裝探頭。在一般情況下，探頭應吃水為50 cm以上，1～2 m淺水區可適當設吃水較淺一點；綁探頭時應注意與平坦水底相垂直，保證在高船速時探頭不出現大的松動，測深時應注意探頭的保護，不擱淺、不觸礁，及時清理環繞在探頭上面的塑料袋等雜物。

正式測深。打開CHS-29軟件，觀察模擬圖象，應為較清晰的波形斷面圖，如有多條或較雜亂，可適當調低增益，加大信號門檻。

航速不能太快，控制在五節（約2.5 m/s）以下；測量時，應不時觀察其數據是否跳動正常（包括定位和水深數據）；在超過一定深度測量時（大于15 m），如報錯太多，則需調大增益，加大發射功率和打開發射脈沖。

6 結語

1）首先要對各參數的含義要有深刻的理解，然后要看水質的情況和深度，一般實際水下比較深則脈寬要適當調大，反之則調小，原因是水深則吸收聲波能力增強，需增加聲波發射時間。

2）發射功率也是隨著深度的增加而提高，功率大表明發出的聲波振幅比較大，能量也比較大。

3）當水中雜質比較多則將增益稍微調低，因為有效信號受到噪聲干擾大，而回波閾值相應也應該調大。

4）如果發現測量的水深的信號錯誤率比較大，或實際水深發生變化而數據保持不動并相差甚遠，有可能是聲波的余波造成的，則需要適當的加大抑制脈寬，來消除有效信號時間段以外的無用信號，但是抑制脈寬也不能設置太大，以避免影響了下一次正常的信號。

在實際工作中，根據不同情況通過上述的參數調整，可以去除一些異常的數據、提高水深測量值的準確性。

5）華測CHS-29型測深儀是按新一代全數字化、電腦化產品，具有防塵、防水、抗震功能，是集水深測量、軟件圖形導航、定位數據、水深數據采集功能一體化的水上測量設備，配合華測集團的水上測量導航軟件組成系統化作業，用戶就可以借助其強大的系統功能達到高效率、全天候、高精度的水下地形測量，同時也滿足疏浚工程測量和水下地形測量的技術要求。

［1］李青岳，陳永奇，等.工程測量學［M］.北京：測繪出版社.1995.

［2］SL197-97水利水電工程測量規范［S］.北京：中國水利水電出版社，1998.