GPS結合測深儀水下地形測量原理與應用

高玉旺（電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南　長沙　410000）

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GPS結合測深儀水下地形測量原理與應用

高玉旺（電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410000）

我國的GPS在各個領域中都得到了有效應用，通過綜合利用測深儀，能夠有效提高應用水平，加強水下地形測量數據精確性，并降低成本。對GPS技術進行了簡要介紹，并對GPS配合數字測深儀在水下地形測量中的應用進行了分析。

GPS；測探儀；水下地形；測量原理

1　引言

水下地形測量是測量水下起伏形態和地物的工作。水下地形繪測主要在于水利工程中得以深度應用，具有重要意義。GPS技術的開發時間雖然不久，但其在各領域的應用已經相當廣泛。在水下地形圖繪測工程中，GPS技術的應用能夠大大提高工程的精確度，且更加簡便操作，幾乎能夠全天候工作，不受限制。

2　GPS與測探儀的工作原理概述

2.1GPS基本工作原理

運用GPS全球定位系統實現定位的原理在于通過空間距離的測量，來確定其他位置結果，這也是我們所常說的定位方法，快速而準確。如在動態測量、快速靜態和靜態測量中，通過GPS全球定位系統進行定位后，再需要通過復雜的數據運算來求得結果。這種技術在野外實時測繪中有一定的限制性因素，在野外要獲得厘米級的定位結果需要使用到RTK定位測量技術。RTK是以載波相位觀測為原理的定位技術，通過RTK定位技術，流動站和基準站要同時保持4顆以上的衛星跟蹤，然后將其已知信息和觀測數據通過基準站的數據量一并傳給流動站，GPS觀測數據與通過鏈接的數據組成差分方程，進行及時信息處理。運動中求解不需要整個運動過程，取模糊的起始位置值即可，與此同時，坐標轉換參數也被輸入，因而獲得觀測點的精度和三位坐標數據。

2.2測深儀工作原理概述

測深儀測量的主要原理是借助超聲波及其反射得以實現的，超聲波可以穿透介質，還可以在介質表面形成反射，測深儀借助超聲波探頭將超聲波發射出去，通過測量發射波及反射波的時差來完成測量。測深儀工作過程可用公式Z=Vt/2表示，其中，V代表超聲波的傳播速度，t代表超聲波自發射后，由探頭到水底，再由水底反射，直到被探頭再次接收所消耗的時間。借助探頭桿的刻度數值，可以測出探頭與水面的距離，將兩者相加，即可得出水深數值，如圖1所示。

3　GPS與測深儀的結合

3.1GPS結合測深儀測量原理

在測量的過程中，用GPS來加強對換能器底部的坐標以及高程進行測定的時候，就通過測深儀對定位點的水深來進行測定，這樣最終得出的水下定位點的高程就可以采用GPS測量的高程以及測深儀測量水深之間的差，同時定位點坐標也就是換能器坐標。GPS可以在RTK作業模式下實時獲得測點位坐標高程的測量（見圖 2），對于定位的精度幾乎可精確到厘米。

圖1　超聲波回聲測深示意圖

圖2　GPS結合測深儀的水下地形測量公式模型

在進行測量的過程中，主要得到的數據是通過對工控電腦上顯示的數據來更好的對數據的采集情況進行測定，與此同時，可以根據相應的軟件來進行導航，這樣就能更好的保障測區范圍內的測量數據。測深軟件就能夠更好的顯示測量船體以及路線的航向，從而更便于隨時進行調整。

3.2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。

4　GPS聯合測深儀在水下地形測量中的應用

4.1測量之前的準備工作

（1）設置好基準站

在設置基準站的過程中，盡量選取地勢較高且視野范圍交寬闊的區域當成作業點，并且所選的作業點應當盡可能地遠離高壓電線或者變電站等無線設施，防止測量設備受到干擾。為了確保所要測量深度地點的水平位置與垂直位置能夠同步，在安置GPS接收天線之時，應當把接收天線安裝在測深儀換能器的上方區域，而天線的安裝高度應當高出作業船體，并且要隔絕金屬的干擾。此外，在定位過程中所用到的衛星，其高度角應當不低于10°，利用進行觀測的衛星數量要在4顆之上，其質量指標不能夠超過6，HDOP值不能夠超過1.8。

（2）校正好各控制進行點

進行對水下地形測量前，還需要對測量區域所選的控制點進行校正，其中已知登記控制點的數量不能夠低于4個，對其進行校正之后，求出WGS-84坐標系到所測地點坐標系統的轉換參數。

（3）安裝好測深儀換能器

由于測深儀往往會安裝在船只上，而為了盡可能的防止因為作業船只速度對船只吃水線的影響，通常會把測深儀的換能器安置在作業船只的中舷區域。同時，為了確保作業船只在運行的過程中，防止測深儀的換能器出現擱淺現象，或者是確保其能夠在連接桿長度的允許范圍之內，測量人員需要盡可能的把換能器安放在水下比船底稍高的位置，使其吃水的深度保持在0.5～1.5m的范圍之內。

4.2測量現場的數據信息采集

在對水下地形進行測量之時，測量人員需要使用GPS接收機、導航軟件以及測深儀等相關儀器設備，對所測水下地形點的三維坐標進行實時的采集。在采集的過程中需要完成以下幾項工作：

（1）在對水下地形數據信息進行采集之前，測量人員需要對已知點進行檢測，做好吃水深度的校正以及水深的對比工作。這就要求，相關的測量人員首要的工作就是要對將要測量水域的水溫進行測量，并使用測深儀對船只所處水域的靜態吃水深度進行確認和校正，進而調整好聲速，然后在測量開始前以及開始之后，選取不同水深對測深儀所測的結果進行比對。

（2）為了確保導航船只能夠接收到實時定位的數據信息，在利用GPS與測深儀相結合技術對水下地形進行測量之時，需要調整測量船只上流動站GPS接收器的數據輸出格式，使其能夠設置為NMEA-0183，也就是在進行數據輸出之時，需要使用ASCII碼，其中包括所測定位點的經緯度、高度、船只速度、時間日期、運行方向以及所使用探測衛星等信息數據。

（3）測量人員需要使用測量軟件設定好測深儀換能器的吃水深度、GPS接收天線的中心與水面之間的距離、聲速以及換能器發射的脈寬等相關參數，提高測量所得數據的精準性。

（4）測量人員需要在所用導航軟件當中設置好正確WGS-84坐標與測量水域所在地坐標系統之間的轉換參數。

（5）以上工作準備完成之后，測量人員就可以開啟所使用的設備以及軟件，然后對通信以及測深數據之間的比對進行仔細的檢查，當檢查合格之后，測量人員就可以按照既定計劃對水下環境進行測量工作，并做好實時的數據收集工作。在數據信息的收集過程當中，為了提高所得數據的準確性，測量人員需要調出測量斷面線，并把船只指引到斷面的位置，按照制定的測點間距對測點進行定位，并對其的深度進行測量，然后根據導航軟件所顯示的數據，對航向進行修正，使得測量船只能夠順著斷面線方向航行。

4.3內業數據處理及成果生成

外業數據采集完成后，通過后處理軟件對基準站及流動站基線加以解算，將GPS基線向量確定為觀測值，將方差陣之逆作確定為權，采用三維無約束平差方式，精確計算得出觀測點的WGS84坐標，然后借助已知測點的坐標，通過對坐標進行轉換，從而得出各觀測點的實際方位坐標。同時，利用CASS等軟件，對于水下地形圖進行展繪，得到最終水下地形圖。

5　結束語

可見，在進行水下地形測量的過程中，應用GPS技術的同時，還可以結合測深儀，進一步更加測量快速與作業效率高，同時保證測量的精確度。當下，水下測量在許多的水庫、河流或航道中得到了廣泛的應用。然而，由于許多地區對水下測量的要求標準不相同，因此，其中還是存在很多的問題亟待解決。

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高玉旺（1970-），男，測量高級工程師。

P229

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2095-2066（2016）12-0048-02

2016-4-12