RTK三維多波束水深測量在港珠澳大橋島隧工程中的應用

潘 滿，何 波

RTK三維多波束水深測量在港珠澳大橋島隧工程中的應用

潘 滿，何 波

（中交廣州航道局有限公司，廣東廣州510221）

在港珠澳大橋島隧工程的深基槽開挖和回淤監測過程中，水深測量精度要求越來越高，常規驗潮多波束測量已經無法滿足測量精度。文中介紹了RTK三維多波束水深測量系統的組成及測量的基本原理，并以實例分析了RTK三維多波束水深測量的優勢，可為深海基槽水深測量提供參考。

深基槽；回淤監測；RTK三維多波束水深測量

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程地處伶仃洋，施工環境復雜，漲落潮水流急，基槽最終成槽斷面非常復雜，橫斷面設置多種復合邊坡（包括1∶2.5和1∶5兩級邊坡），基槽縱向底部呈W形，設置多個緩坡組合，同時基槽開挖最深深度為47.22m，邊坡最淺水深為10m，水深變化大，驗收標準高，水深測量關系重大[1]。

島隧工程的主要工序有基槽粗挖、精挖、清淤、拋石夯平、碎石整平等，各工序質量驗收標準要求高，對施工過程中多波束水深檢測及監測精度提出較高要求，常規的水深測量模式已不能滿足要求。為了提高水深數據的質量和實效性，必須改進傳統的測量模式，采用RTK三維水下多波束測量，為工程施工和科學決策提供數據支撐[2]。

2 多波束測深系統的組成

多波束測深系統由多波束探頭及控制盒、運動傳感器、RTK-GPS接收機、聲速剖面儀（包括表面聲速儀）、采集電腦、外業采集軟件及數據處理軟件組成。

2.1 多波束測深儀

采用Sonic 2024多波束測深儀，基于第5代聲吶結構開發，波束角為0.5o×1o（垂直航線×沿航線），分辨率高，可以發現水下極小物體，由換能器和SIM控制盒組成。換能器安裝在測量船測量井中，可以全自動垂直升降，使用方便，比旁掛式安裝更便捷，同時比直接安裝在船底安全。接收換能器內嵌入了處理器和控制器，用數據電纜同SIM控制盒完成數據通訊。SIM盒為聲吶頭提供電源，為連接在其上的其他傳感器提供時間標準，傳遞命令給聲吶頭和將原始多波束數據發送到數據采集計算機。控制Sonic 2024操作的聲吶控制圖形用戶界面（GUI）是一個綠色軟件，可以運行在任何Windows計算機上。Sonic Control控制軟件通過以太網與聲吶接口單元（SIM）通訊[3]。

通過Sonic Control控制軟件，用戶可以在200~400 kHz范圍內實時選擇Sonic 2024工作頻率，不需要停機，甚至不需要停止數據記錄，就可修改頻率。用戶還可以選擇Sonic 2024的條帶覆蓋寬度，范圍為10o~160o，而波束個數一直保持為256個，改變時也不需要停機或停止數據記錄。整個條帶扇區還可以實時旋轉，以適合特殊測量如碼頭壁測量的需要。改變條帶覆蓋寬度和旋轉扇區指向的操作都可以通過拖動鼠標實現。

2.2 運動傳感器

采用Octans運動傳感器，集羅經、運動傳感器于一體，可以提供載體真方位角、縱橫搖角度、升沉量等有關信息，是當今世界上唯一采用光纖陀螺技術、能同時提供真北方位和運動姿態的固態羅經運動傳感器。

運動傳感器為系統提供船舶的姿態數據，包括橫搖值（Roll）、縱搖值（Pitch）、升沉值（Heave），以便修正因船舶運動引起的水深值變化。

2.3 RTK-GPS

RTK-GPS提供三維定位信息和時間信息，計算多波束腳印在隧道坐標系（TCS坐標系）中的坐標和計算潮位，同時還輸出1PPS時間脈沖，實時同步水深數據和其他傳感器（GPS、運動傳感器）數據時間，消除時間偏差，這也是提高多波束測量精度的重要措施。

為了提高RTK的精度，確保電臺信號覆蓋整個基槽區域，項目部在基槽西島附近、中間及東島附近建了3個RTK單基站參考站，在實際測量時根據測量范圍選擇RTK參考站，提高定位精度，提供了WGS 84坐標到TCS2010坐標系的7參數轉換參數，其中擬合了高程轉換，在平面坐標轉換時同時實現了基于WGS 84高程向基于1985國家高程基準的高程轉換。

2.4 聲速剖面儀

采用聲速剖面儀采集聲波在海水中的傳播速度，以便在內外業進行聲速改正，求得正確的水深值。港珠澳大橋隧道基槽處于伶仃洋，水文條件復雜，每天多次漲落潮，聲速變化大，必須在測前、測后各測1次聲速剖面，同時使用表面聲速儀實時提供探頭處聲速。表面聲速對于Sonic 2024這類平板型的接收換能器至關重要，一定要輸入正確的表面聲速值。如果輸入值與真值偏差較大，將會造成測深結果失真，而且對于這種失真，在任何后處理中都無法改正。

2.5 Qinsy采集軟件

Qinsy軟件是由模塊化程序組成，集成了外業采集軟件和內業處理軟件，采用項目模式以便操作，所有程序都需從控制臺啟動，主要由Setup、Online、Replay和Processing組成，Qinsy軟件控制臺界面如圖1所示。

圖1 Qinsy軟件控制臺界面Fig.1 Disp lay ofQ insy console

Setup模塊主要是添加和配置各種傳感器參數，包括GPS-RTK的驅動和安裝位置、多波束的驅動及安裝角度偏差、羅經的驅動、運動傳感器的驅動和安裝位置，其中TestGeodetic Parameter模塊可以測試轉換參數是否正確，保證外業采集數據的準確性；Online模塊功能主要是外業測量采集，利用Setup里設置好的模板文件進行采集數據，包括導入背景和測線、導入聲速、設置是否采用RTK測量潮位以及數據記錄格式；Replay模塊主要功能是對記錄的原始數據進行回放，以便對外業設置出現錯誤時（如GPS位置設置錯誤）采集的原始數據進行改正；Processing模塊主要功能是內業數據處理，包括聲速和潮位改正、建立3D圖、自動和手動濾波、數據輸出等。

3 RTK三維水下多波束測量的原理

3.1 基本原理

常規的多波束測量需要人工驗潮，即在測量區域設立驗潮站，測后獲得潮位數據進行潮位改正，而RTK三維水下多波束測量在利用RTK獲得平面定位數據的同時利用高程數據實時求得潮位，在內業數據處理時利用RTK潮位進行改正[4]，從而不需要建立潮位站進行驗潮，其原理見圖2。

圖2 RTK三維多波束水深測量原理Fig.2 PrincipleofRTK three-dimensionalmulti-beaMbathymetry

船舶在水面測量時，H為GPS所測大地高，L為RTK天線到水面的高度，d為換能器到水面的距離（吃水），h為運動傳感器所測船舶升沉值，T為RTK潮位，D為多波束所測水深，ζ為1985國家高程基準面到WGS84橢球面的距離（高程異常），S為1985國家高程基面下水深。

由圖2可以得到以下關系式:

其中H-ζ=H85高程，由式（2）轉換得到:

此時，D為多波束實時測得水深，L+d為RTK天線到探頭底部距離，為固定值，若可以實時采集到85高程，便可以實現RTK三維多波束測量。

一般有兩種方式采集到85高程:一為外業采集軟件（如EIVA）在利用7參數對RTK-GPS采集的WGS 84坐標進行轉換時，只實時轉換求得了當地坐標系下的平面坐標，而高程依舊是基于WGS 84橢球的大地高，要求得85高程，仍需求得兩者之間的高程異常，即ζ，這種情況下可以把隧道基槽東西分為若干段，分別求得每個區域的高程異常值，然后在內業時改正；二為Qinsy外業采集軟件在利用7參數對RTK-GPS采集的WGS 84坐標進行轉換時，可以實時轉換得到當地坐標系下的三維坐標，包括隧道坐標系下的平面坐標和基于1985國家高程基準面的高程，這樣便可以利用式（3）實現RTK三維多波束水深測量。很明顯，第二種方法更簡便和準確，本文采取第二種方法。

3.2 優勢比較

常規多波束水深測量只能采取人工驗潮的手段，必須在測前手動測量探頭的吃水，由于海面總是在上下起伏，所以測量總是會有偏差，同時需在測區附近設立驗潮站。島隧項目中，在靠近西島的測量平臺上安裝了潮位遙報儀，測量中利用接收端接收遙報儀數據以便內業進行改正，這樣既增添了測量成本，同時測量精度無法保證。由于測量平臺到海面距離高，約7 m，同時由于海面的起伏，導致在測量波峰和波谷時信號有延遲，測量潮位時存在誤差，從而使多波束水深測量結果產生一定的偏差。而RTK三維多波束測量系統利用RTK所測的潮位，只需量得GPS天線底座到探頭底部的距離即可，不用每日測量吃水，減少了測量誤差，同時隨船舶上下起伏，可以實時測得潮位，減少了測量波峰波谷導致的誤差，消除了船舶在順水和頂水測量時動吃水變化帶來的誤差，結合多波束水深數據和運動傳感器數據，就可以實現高精度RTK三維多波束水深測量。

4 實例分析

為了分析常規多波束水深測量和RTK三維多波束水深測量的數據穩定性，2015年6月6日和7日在基槽E20—E21管節采用兩種測量模式進行水深測量，見表1。

表1 常規多波束測量和RTK三維多波束測量2 d差值數據比較Table1 Comparison of 2 daysdata of conventional tide Multi-beaMbathymetry w ith that of RTK three-dimensionalmulti-beaMbathymetry

兩種測量模式的設置都一樣，唯一不同的是前者采用潮位遙報儀的潮位，而后者采用RTK的潮位。在對數據進行處理后，在Hypack軟件里分別對兩種測量模式的前后2 d數據做差值，然后分析數據的穩定性。

從表1可得，槽底區域6月6日和7日差值分布情況如下:采用RTK三維多波束測量的差值86%分布在-0.1~0.1 m，而采用常規多波束測量的差值只有35.2%分布在-0.1~0.1 m，57.5%分布在-0.2~-0.1m；邊坡差值情況為:采用RTK三維多波束測量的差值89.5%分布在-0.2~0.2 m，而采用常規多波束測量的差值只有66.1%分布在-0.2~0.2m。明顯可以看出采用常規多波束測量的數據穩定性較采用RTK三維多波束測量數據差。

5 結語

本文介紹了RTK三維多波束測量系統的組成及基本原理，同時比較分析了RTK三維多波束測量和常規驗潮多波束測量的優勢，并以港珠澳大橋島隧工程E20—E21管節實測水深數據為例進行具體分析，使RTK三維多波束水深測量可以在深水基槽測量中得到更好地推廣應用。

[1]鄭偉，李煒.GPS-RTK三維水下地形測量的應用與誤差分析[J].中國港灣建設，2015，35（7）:42-45.

ZHENGWei,LIWei.Application and erroranalysisof GPS-RTK three-dimensional underwater topographic survey[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):42-45.

[2]孫陽陽，徐良，張建軍，等.基于多波束測深的海底基床監測與分析[J].中國港灣建設，2015，35（11）:46-48.

SUN Yang-yang,XU Liang,ZHANG Jian-jun,et al.Monitoring and analysisof seafloor subgrade usingmulti-beaMbathymetry[J]. ChinaHarbour Engineering,2015,35(11):46-48.

[3]趙建虎，劉經南.多波束測深及圖像數據處理[M].武漢:武漢大學出版社，2008.

ZHAO Jian-hu,LIU Jing-nan.MultibeaMbathymetric and image data processing[M].Wuhan:Wuhan University Press,2008.

[4]JT/T 790—2010，多波束測深系統測量技術要求[S].

JT/T790—2010,Technical requirement formultibeaMechosounder systeMsurveying[S].

App lication of RTK three-diMensionalmulti-beaMbathymetry for island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

PANMan,HEBo
（CCCCGuangzhou Dredging Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510221,China）

During the excavation and siltationmonitoring of the deepwater foundation trench for the island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,bathymetric survey demandshigherand higher accuracy and the conventional tidemultibeaMbathymetry isunable tomeet the accuracy demand.The set up and principle of the RTK three-dimensionalmulti-beaMbathymetry are described in the paper and the advantage of RTK three-dimensionalmulti-beaMbathymetry is analyzed based on an examp le,whichmay provide reference for bathymetric survey of deepwater foundation trenches.

deepwater foundation trench;siltationmonitoring;RTK three-dimensionalmulti-beaMbathymetry

U652.4

A

2095-7874（2016）07-0005-04

10.7640/zggw js201607002

2016-05-23

潘滿（1988—），男，湖北荊門人，助理工程師，測繪工程專業。E-mail:302566092@qq.com