動(dòng)態(tài)GPS在內(nèi)河航道水深測量上的應(yīng)用

摘 要：GPS測量技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣，它突破了傳統(tǒng)水深測量中的種種限制，從而成為控制測量、海岸地形測量、高精度的內(nèi)河與海洋定位不可或缺的有效手段。本文介紹動(dòng)態(tài)GPS水深測量技術(shù)與水深測量的基本作業(yè)步驟，闡述水深測量實(shí)際作業(yè)。

關(guān)鍵詞：GPS；內(nèi)河航道；水深測量

中圖分類號：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

吉林省航道管理局是吉林省第一家把RTK技術(shù)成功應(yīng)用于內(nèi)河航道水深測量的單位，我們采用的是徠卡動(dòng)態(tài)GPS、中海達(dá)測深儀、EPS成圖軟件等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，在水深測量中達(dá)到了克服季節(jié)限制、節(jié)省人力、減少勞動(dòng)強(qiáng)度、加快測量速度的目的，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)河數(shù)字化測量。結(jié)合我們實(shí)際應(yīng)用闡述動(dòng)態(tài)GPS在內(nèi)河航道水深測量上的應(yīng)用。

1 水深測量技術(shù)

交會(huì)定位為一般情況下水深測量所使用的主要測量方法。因?yàn)槭艿降貏萏攸c(diǎn)、天氣情況等方面的影響，測量工作是具有一定難度的。另外，外業(yè)測量工作不易進(jìn)行，測量人員多，測量條件艱辛，成圖環(huán)節(jié)所用的時(shí)間也長。近年來，對水深進(jìn)行測量主要使用的是GPS，而GPS也在各種測量工作中得到了廣泛的運(yùn)用。而后，RTK技術(shù)的出現(xiàn)使得GPS無驗(yàn)潮方式在水深測量方面得到了合理的使用。一般來說，水面點(diǎn)至水底垂直距離以及其平面位置的測量工作是水深測量工作的核心內(nèi)容。當(dāng)前，測深儀器的精密程度決定了水深測量的精確度，但測點(diǎn)位置的精確度卻在很大程度上受了作業(yè)模式的影響。傳統(tǒng)人工驗(yàn)潮水深測量模式以及GPS無驗(yàn)潮水深測量模式為水深測量工作的主要作業(yè)模式。

從三維位置的GPS定位模式上看，無驗(yàn)潮水深測量可劃分為單點(diǎn)定位以及差分定位。在進(jìn)行水深測量的過程中，差分定位技術(shù)主要依靠測區(qū)離基準(zhǔn)站的距離來對定位模式進(jìn)行選取，RTK以及PPK的局域差分定位模式主要運(yùn)用在內(nèi)河航道水深的測量上，而星站差分方法則主要運(yùn)用在遠(yuǎn)海水深的測量上。在水深測量方面，差分技術(shù)存在一些不足之處，主要表現(xiàn)在：①最少要備兩臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)；②用戶作業(yè)成本會(huì)增加；③作用距離是有限的。相比于差分技術(shù)，GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)在進(jìn)行定位的時(shí)候，只需一臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)就可以了，也不會(huì)受距離以及區(qū)域的影響。

2 水深測量步驟

GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)通信鏈、數(shù)字化測深儀以及便攜式計(jì)算機(jī)等構(gòu)成了水深測量的主要作業(yè)系統(tǒng)。而測量作業(yè)的主要步驟則是先進(jìn)行準(zhǔn)備工作，然后對測量作業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，最后對數(shù)據(jù)的后處理形成成果進(jìn)行輸出。

（1）測前的準(zhǔn)備

當(dāng)前，GPS所使用的是WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，GPS對星歷參數(shù)進(jìn)行了發(fā)布。在我國，1954年北京坐標(biāo)系是運(yùn)用最為廣泛的大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)里面，克拉索夫斯基橢球得到了使用。在航道測量上，我省也采用了1954年北京坐標(biāo)系。目前，當(dāng)?shù)氐胤阶鴺?biāo)在我國的一部分區(qū)域得到了使用，而這就決定了在進(jìn)行測量之前，校正工作是需要做好的。在校正階段，需對具有當(dāng)?shù)赝队暗淖钌?個(gè)3D當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)格坐標(biāo)進(jìn)行使用。這樣一來，就可對充足的冗余度進(jìn)行提供了。

一般情況下，RTK作業(yè)模式首先會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，之后再將采集到的數(shù)據(jù)放在控制器以及記錄卡里面。在進(jìn)行水上測量工作時(shí)，GPS接收機(jī)會(huì)和測深儀進(jìn)行連接，在這個(gè)時(shí)候，就可以通過中海達(dá)測深軟件設(shè)置好接收機(jī)的參數(shù)，讓接收機(jī)依據(jù)既定的輸出率對位置信息進(jìn)行輸出，對于這些信息，測深軟件會(huì)進(jìn)行讀取并和水深數(shù)據(jù)共同儲(chǔ)存。

（2）外業(yè)測量與數(shù)據(jù)采集

首先，需對基準(zhǔn)站進(jìn)行架設(shè)，然后啟動(dòng)GPS，將數(shù)字化測深儀、GPS接收和機(jī)便攜機(jī)進(jìn)行連接。在對定位儀、測深儀配置、記錄設(shè)置、接收機(jī)數(shù)據(jù)格式、測深儀接口等進(jìn)行合理設(shè)置以后，就能進(jìn)行測量工作了。

（3）數(shù)據(jù)的處理及出圖

依靠相應(yīng)配套的數(shù)據(jù)處理軟件對測量后的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析、處理就是數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)了，在進(jìn)行處理以后就可得出測量成果了，也就是水深圖以及水深統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告等。另外，依靠成圖軟件，繪圖機(jī)以及打印機(jī)可對所有的測量結(jié)果進(jìn)行輸出，可以說是十分方便快捷的。

3 工程作業(yè)

（1）GPS RTK水深測量系統(tǒng)

在水深測量工作里面，GPS RTK技術(shù)的運(yùn)用原理和在陸域的放樣原理是基本一致的，基準(zhǔn)站上的設(shè)計(jì)保持不變，流動(dòng)站上由測量船測點(diǎn)代替人工跑點(diǎn)，然后再將數(shù)字測深儀裝置在流動(dòng)站上面，控制手簿轉(zhuǎn)變?yōu)楸銛y式電腦，依靠先進(jìn)的水深導(dǎo)航測量軟件對測點(diǎn)以及測線進(jìn)行控制管理，并此基礎(chǔ)之上對測點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)以及平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，最終在經(jīng)過專業(yè)修改后制作出正式的水深圖。整個(gè)GPS RTK水上測量系統(tǒng)的組成如圖1所示。

在工程的實(shí)際作業(yè)期間，可以對“1個(gè)基準(zhǔn)站+1個(gè)流動(dòng)站”模式進(jìn)行運(yùn)用，也可運(yùn)用到“1個(gè)基準(zhǔn)站+2個(gè)流動(dòng)站”的模式。在一些大規(guī)模的工程里面，可對“1個(gè)基準(zhǔn)站+多個(gè)流動(dòng)站”的模式進(jìn)行使用。

（2）水深測量作業(yè)

①GPS儀器架設(shè)

在對GPS基本站進(jìn)行架設(shè)的時(shí)候，要選擇四周開闊的控制點(diǎn)，先對轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行選取，然后連接好發(fā)射電臺(tái)，在完成發(fā)射天線以后就可轉(zhuǎn)入?yún)⒖颊緶y量模式并對連接好流動(dòng)站的每一部分設(shè)備進(jìn)行測量了。另外，還需對RTK的工作模式以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，在岸上選擇一些已有的控制點(diǎn)進(jìn)行平面及高程比對，在核對對比結(jié)果以后，就能將流動(dòng)站移動(dòng)到測量船了，最后再對測深系統(tǒng)進(jìn)行合理有效的設(shè)置。

②測深系統(tǒng)

測量船在平靜的水域停泊，可將測深儀器換能器探頭安裝在測量船中部的船舷上，在進(jìn)行固定以后就需將GPS接收機(jī)天線設(shè)置在換能器探頭中心的同一軸線上了。之后，可將GPS和測量儀與筆記本電腦進(jìn)行連接，開啟水深測量軟件，在對連接參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的時(shí)候需使用RTK的實(shí)時(shí)高程來對水位進(jìn)行替代。另外，需對流動(dòng)站的RTK接收機(jī)的對中桿高度進(jìn)行合理的設(shè)置。測量儀對中桿默認(rèn)高度是從接收天線中心到對中桿底長2m，此時(shí)應(yīng)在測深軟件中修改此長度為接收天線中心到靜止水面的高度。以上RTK接收機(jī)天線的高數(shù)據(jù)加上換能器吃水?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)等于RTK接收機(jī)天線到換能器中心的距離。這樣就可以利用RTK的實(shí)時(shí)高程，替代水位觀測，且其精度達(dá)厘米級。使用RTK的實(shí)時(shí)高程來對水位觀測進(jìn)行替代還具有其他的優(yōu)越性：可不對測量船的動(dòng)吃水進(jìn)行考慮，因?yàn)榇w在進(jìn)行上升、下沉期間，RTK測量的實(shí)時(shí)高程對其進(jìn)行了反映。在漲潮與退潮期間，潮位會(huì)發(fā)生較大的變化，而RTK實(shí)時(shí)高程測量則對水位變化問題進(jìn)行了合理、有效的解決，并測算出了測點(diǎn)處的水面高程。同時(shí)，因?yàn)椴ɡ说母蓴_，在測量的過程中測船會(huì)進(jìn)行上升、下沉運(yùn)動(dòng)，而這種垂直方向的變化，都可以被RTK實(shí)時(shí)高程所記錄。運(yùn)用RTK實(shí)時(shí)高程測量方法，對可能影響到水深觀測量值的一系列因素進(jìn)行了有效預(yù)防，使最終水底高程測量值和真值更為接近。RTK接收機(jī)天線與換能器連接示意圖見圖2。

結(jié)語

隨著時(shí)代的進(jìn)步，全球定位系統(tǒng)技術(shù)也取得了飛速發(fā)展，而GPS測量型接收機(jī)的出現(xiàn)則使GPS在水運(yùn)工程測量工作中得到了廣泛的運(yùn)用。目前，在我國的港口航道施工中，因?yàn)镚PS技術(shù)的合理使用，水深測量工作走向了數(shù)字化、電子化道路。在進(jìn)行深水測量的時(shí)候，數(shù)據(jù)采集工作以及成圖環(huán)節(jié)都能依靠先進(jìn)的設(shè)備來完成，不需進(jìn)行人工操作。在水深測量工作中，利用GPS技術(shù)有著極大的優(yōu)勢，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)該廣泛的進(jìn)行推廣。但是怎樣更好地將動(dòng)態(tài)GPS測量系統(tǒng)運(yùn)用到工程施工中去，就需測量人員進(jìn)行深入的分析、思考了。

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