GPS—RTK技術與測深儀結合在內河航道水下測量中的應用

李本超

摘 要：GPS（全球定位系統）是一個無線電空間定位系統，它利用導航衛星和地面站為全球提供全天候、高精度、連續、實時的三維坐標（經度、緯度、高程）、三維速度和定位信息，地球表面上任何地點均可以用于定位和導航。而測深儀是利用聲波反射的信息測量水深的儀器。兩者結合使用后內河航道水深測量就變得準確可靠，簡便易行，不僅提高了精度而且大大提高了作業效率。本文以實例說明GPS-RTK技術與測深儀配合作業在內河航道測量中的具體應用。

關鍵詞：GPS-RTK；測深儀；內河航道；水下測量

0 引言

在內河航道測深中GPS-RTK技術與測深儀配合使用的方法得到了快速發展，已經在內河航道水下測量中得到很好的應用，與傳統的測深方法相比，具有較大的優勢，特別是在航道長、水域寬廣、水下地形復雜、水深較大的區域，水下測深能簡單、方便、快速、高效、全天候作業，同時大大提高了水深的測量精度。隨著GPS-RTK技術的不斷發展，利用GPS -RTK技術配合測深儀進行水下測深將有更加廣闊的前景。

1 概述

1.1 內河航道水深測量主要采用的實時動態定位方法

RTK技術是在測區內選擇控制點作為基準站，測量時在基準站安置一臺GPS接收機連續觀測所有可見GPS衛星，并將其觀測數據通過無線電傳輸設備實時地發送給用于移動測量的GPS接收機（移動站）。移動站接收機在接收GPS衛星信號的同時，通過無線電接收設備接收基準站傳輸的觀測數據，然后根據相對定位的原理，實時地計算并顯示移動站的三維坐標成果和精度，以滿足測量和實時導航的需求。

1.2 測深儀

測深儀就是激發器在終端顯示裝置的控制下，周期性地產生超聲頻脈沖，通過換能器轉化成有指向性的超聲波脈沖射向水底，聲脈沖經水介質傳播到水底。一部分能量從水底反射回到換能器，經換能器轉換成電信號送至接收機，再經放大器將信號加以放大、變換，供終端顯示。終端顯示裝置的功能是一方面控制發射機周期性地產生振蕩脈沖，另一方面將接收機收回波信號相對于發射脈沖的延時時間，自動轉換成深度數據。假設聲波在水中的傳播速度為V，當在換能器探頭加窄脈沖聲波信號，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。這就是測深儀的基本原理。

1.3 利用GPS技術配合測深儀測深的優點

目前大多數GPS采用雙頻接收機，實現了航道測繪的自動化、數字化、系統化，大大縮短了水下測深的工作時間。同時，GPS無論晝夜、天氣好壞均可以進行作業測量，所以能夠滿足各種環境下的急需測量的要求，以避免延誤測量時機。只要預先設置好航向圖，系統就可以實時顯示出測量船的位置與斷面的偏離距，與斷面上起點、終點位置的距離，從而保證測量人員嚴格沿著斷面線進行測量。由于不再需要停船打水深定位，測量船的行駛速度就是水上測量速度，所以大大縮短了測量時間。加上系統的機動性，可以方便地增加臨時斷面，以滿足不同測量精度情況下對斷面密度的要求。

2 作業方法

下面以徐州市京杭運河航道北段疏浚工程水下測量為例，詳細介紹GPS-RTK技術與測深儀配合作業在內河航道水下測量中的具體應用。因徐州市京杭運河航道北段航道狹長，水下地形測量采用斷面法進行，斷面線布置與水流方向大致成垂直，斷面線間距為50m，斷面線上測點間距2m。本次測量使用的儀器是中海達GPS和測深儀，GPS型號是F61，測深儀型號是H370。

2.1 測量作業準備工作

測量前準備好機動小船，綁扎測桿的繩子、扳手、固定在船上的卡子等，一般內河航道測量固定測桿有兩種方法，一種是用固定在船上的卡子卡住測桿使之固定不動。這種方法牢固不傾斜，但是遇到淺灘時由于小船的慣性來不及移動測桿容易造成底部探頭損壞。另一種是用繩索綁扎在船舷旁，有一個人扶住測桿，這種方法適合在內河航道測深中，內河航道比較狹長風浪小，航道兩側較淺，如遇淺灘時，手扶測桿的人可隨時傾倒測桿或稍微提起測桿，避免測桿底部探頭損壞。本次航道水下測量采用的就是這種方法。

2.2 GPS設置

首先是測前準備，即打開HI-RTK-ROAD軟件，新建項目、設置坐標系統參數、GPS與手簿連接、移動站設置（網絡：CORS、源節點：RTCMiMAX3.0，天線設置時一定注意是選取GPS底部，還是GPS量取位置。

2.3 求解GPS轉換參數

由于GPS所采用的坐標系為WGS-84坐標系，而在我們國家，實際的工作中所使用的都是BJ-54，國家-80、或地方坐標系，因此存在WGS-84和當地坐標系統之間的轉換問題。本次測量使用的儀器是中海達GPS，手簿F61，手簿軟件HI-RTK。采用的是七參數，因此至少3個已知坐標點（已知點可以是國家坐標系下的坐標，或和WGS-84坐標系之間存在很小旋轉坐標系下的坐標，最好3個以上已知點，可以檢驗已知點的正確性）。移動站到測區已知點上測量出窄帶固定解狀態下的已知點原始坐標。根據已知點的原始坐標和當地坐標求解出兩個坐標系之間的轉換參數。打開坐標轉換參數，則RTK測出的原始坐標會自動轉換成當地坐標。到另外你至少一個已知點檢查所得到的當地坐標是否正確。

2.4 測深儀器設置

（1）水下測量時先用GPS測出當時的水位，或者是與水文站聯系以獲取測量時水位資料。（2）采集航道水位后把GPS固定在測桿頂上，然后把 GPS接到串口（COM1或COM2）就可以進行水上測量作業，運行桌面的“NAV370測量軟件”，然后在當前頁面進行設置，設置時如用的是七參數一定注意七參數最后一項輸入時要將手簿上的數據小數點前移6位。計劃測線調入也要特別注意，DXF圖形文件不宜過大，一般在幾十K到幾百K之間，且不能有弧線，必須是折線段，否則測量軟件不識別，DXF圖形調入失敗。然后進行記錄設置，此時設置水下測量采樣間隔，即多少米采集一個點，本次測量采樣間隔是2m一個點。點取測量方式后此時應該能夠看到小船在屏幕上顯示。（3）最后打開左邊的測深軟件，在設置里面輸入吃水深度即探頭吃水深度，其他設置內河航道水下測量可以默認設置就可以了，本次測量水深設置為0.3m。這時一定注意測深儀顯示器右邊水位要通過儀器設置改下天線高，要調至和當前水位一至。點擊確定測深，這時探頭開始工作，屏幕左側顯示水下示意圖，同時實際水深數據也出現在屏幕上。（4）為了測量工作的準確性，避免其他方懷疑儀器測深的準確性，現在要做的是用打水桿在探頭處檢查此時水深是否與儀器測的水深一致，誤差應在0.1m以內。（5）檢查儀器水深正確后就可調入測線，注意測線斷面密度設置，根據建設要求，基建性項目斷面距離50m，養護性斷面距離30m，本次航道是基建性項目，所以選擇斷面距離50m。調入測線后就可開始測量。

2.5 水下測量作業

測量開始后屏幕上就出現點號并自動記錄了，這時測量員就可指揮開船人員讓測量船沿著屏幕上的斷面線開始滑行，速度最好控制在5節以內，如超過5節測深儀測出的數據就會出現很多假點，造成數據不真實，必須返工重測。測量員還要指揮開船人員盡量靠近航道兩側，這樣就可以減少航道兩側測深儀測不到的地方補點的工作量。水下測量時如航道中有船航行時，應等船過去幾分鐘再進行測量，因為此時水底的淤泥或浮泥被船槳攪起，測深儀測出的數據就不真實了。航道全部水深測量完后保存數據，用中海達數據后處理軟件進行后處理。

測深儀關閉后，把測深儀收起裝箱，此時重要的是用GPS在淺水區補點，岸邊低于0.8m的水深，測量船就進不去了，這時應乘坐小木船用GPS在淺水區補點，補點密度和斷面密度相適應。

2.6 成圖

本次成圖采用2007CAD、南方Cass軟件成圖，首先是打開軟件把測量的數據進行展點，展點后應檢查水深數據是否有錯誤，因為GPS的信號問題，測深儀測量的數據有錯誤點、假點等，此時應該在平面圖上仔細檢查，將錯誤的點刪除，也可以通過CASS中的繪圖處理高程點過濾功能過濾掉錯誤點。展點檢查后就可以畫斷面圖了，成圖有兩種方法，一種是單個斷面繪制法，一種是自動生成斷面法。單個斷面繪制法適用于零星檢測，自動生成斷面法適用于大范圍出圖。本次測量采用的是自動生成斷面法。

3 結束語

GPS-RTK技術與測深儀結合的測量方法已經在內河航道水下地形測量中得到了充分的應用，由于其諸多的優點，該技術的應用為內河航道整治提供了極大的便利。

參考文獻

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