GPS與測(cè)深儀相結(jié)合進(jìn)行水下地形測(cè)量淺析

陸清普

摘 要：隨著GPS 技術(shù)的不斷發(fā)展， RTK技術(shù)的出現(xiàn)， 以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展， 使得平面定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度、自動(dòng)化、數(shù)字化、實(shí)時(shí)化， 而隨著測(cè)深技術(shù)的數(shù)字化、自動(dòng)化， 為水下地形測(cè)量的數(shù)字化、自動(dòng)化提供了基礎(chǔ)， 為水利測(cè)繪提供了先進(jìn)的手段。本文就全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)的組成、工作原理、作業(yè)方法進(jìn)行了介紹， 并根據(jù)工程實(shí)際， 對(duì)其測(cè)量精度、誤差來(lái)源進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：GPS；數(shù)字測(cè)深儀；水下地形測(cè)量

水下地形測(cè)繪、橫斷面測(cè)量是工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ)資料。而水下地形測(cè)量是地形測(cè)量的一種， 它是測(cè)量水體（河流， 水庫(kù)及湖泊等） 下的床面起伏， 并通過(guò)與前期測(cè)量成果的比對(duì)來(lái)確定河床的淤積狀況。

傳統(tǒng)的作業(yè)方法是： 在圖根控制點(diǎn)（或已知點(diǎn)） 上設(shè)置經(jīng)緯儀（或全站儀） ， 測(cè)定目標(biāo)船之方位及測(cè)站至船的水平距離， 確定船的平面位置， 再利用靜水面高程（水位） 及目標(biāo)船處的水深求取水下點(diǎn)的高程， 即平面定位和水深測(cè)量是相對(duì)分離的。如圖1 所示， 其水下地形點(diǎn)高程計(jì)算如下：

H = H0 - h2 - h3 （1）

隨著GPS 技術(shù)的不斷發(fā)展， RTK技術(shù)的出現(xiàn)， 以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的高速發(fā)展，使得平面定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度、自動(dòng)化、數(shù)字化、實(shí)時(shí)化， 并且能實(shí)時(shí)獲得測(cè)深儀探頭處的高程， 將此高程減去測(cè)深儀所測(cè)的深度即可得到水下地形點(diǎn)的平面位置和高程。而隨著測(cè)深技術(shù)的數(shù)字化、自動(dòng)化， 為水下地形測(cè)量的數(shù)字化、自動(dòng)化提供了基礎(chǔ)。如圖1 所示其水下地形點(diǎn)高程計(jì)算如下：

H = H2 - （ h1 + h2 ） - h3 （2）

一、全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)的組成及原理

（一）全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)的組成

全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)由精確定位導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制集成系統(tǒng)等三部分組成。精確定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要是準(zhǔn)確提供水下地形點(diǎn)的平面坐標(biāo)和測(cè)深儀探頭處的高程； 數(shù)字測(cè)深系統(tǒng)主要是提供測(cè)深儀探頭至水下地形點(diǎn)的深度； 計(jì)算機(jī)控制集成系統(tǒng)主要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)， 對(duì)GPS 定位數(shù)據(jù)和測(cè)深儀測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、整合、取舍、計(jì)算、存儲(chǔ)， 指揮測(cè)量船沿著設(shè)計(jì)航線航行， 將測(cè)量點(diǎn)展繪于地形圖上， 生成數(shù)字地形圖。

（二）全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)水下地形測(cè)量方法的最大區(qū)別在于： 傳統(tǒng)水下地形測(cè)量方法的平面定位和水深測(cè)量是相對(duì)分離的，而全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)有效地將平面定位和水深測(cè)量有機(jī)地結(jié)合起來(lái)了。在RTK作業(yè)模式下， 基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)， 并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理， 同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果， 歷時(shí)不到一秒鐘。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)； 可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)， 也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開(kāi)機(jī)， 并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知數(shù)解固定后， 即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理， 只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形， 則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是將數(shù)字測(cè)深儀與GPS 定位系統(tǒng)連接起來(lái)并組成統(tǒng)一整體的載體， 它將GPS的定位數(shù)據(jù)與測(cè)深儀的測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、取舍、計(jì)算、存儲(chǔ)， 將所測(cè)的數(shù)據(jù)輸入地形圖成圖軟件生成數(shù)字水下地形圖。

二、平面、高程控制的若干問(wèn)題

在實(shí)際的應(yīng)用無(wú)驗(yàn)潮方式進(jìn)行水下測(cè)量時(shí)，測(cè)量精度會(huì)由于船體的搖擺、采樣速率、同步時(shí)差及RTK高程的可靠性等因素帶來(lái)的誤差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RTK定位誤差，我們采取以下措施：

（一）船體搖擺姿態(tài)的修正

船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進(jìn)行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺的參數(shù)，通過(guò)專用的測(cè)量軟件接入進(jìn)行修正。

（二）采樣速率和延遲造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時(shí)采集的精度和密度，可以在延遲校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到，也可以采用以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（三）RTK高程可靠性的問(wèn)題

RTK高程用于測(cè)量水下地形，其可信度一直是倍受關(guān)注的問(wèn)題，在以下的工程實(shí)例中，在作業(yè)前和作業(yè)結(jié)束時(shí)， 我們?cè)谕粫r(shí)間用RTK測(cè)量的水面高程和人工觀測(cè)的水面高程進(jìn)行比較，判斷其可靠性。

三、工程實(shí)例分析

（一）數(shù)據(jù)采集

在鳧洲河和中部排水渠的水下地形測(cè)量中， 采用該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。其基本配置為：徠卡GPS SR530 兩臺(tái)（一臺(tái)為基準(zhǔn)站， 一臺(tái)為流動(dòng)站） ， 中海達(dá)公司生產(chǎn)的HD17 型數(shù)字測(cè)深儀一臺(tái)， 機(jī)動(dòng)測(cè)船一條， 100A H 蓄電瓶?jī)蓚€(gè)（保證RTK GPS 基準(zhǔn)站、流動(dòng)站、測(cè)深儀、計(jì)算機(jī)的供電） 。首先在計(jì)算機(jī)上對(duì)測(cè)深軟件進(jìn)行設(shè)置， 包括坐標(biāo)系統(tǒng)、坐標(biāo)投影方法、坐標(biāo)變換參數(shù)、測(cè)圖范圍數(shù)據(jù)記錄間隔、格式、端口分配、波特率、GPS 天線偏差改正等設(shè)置。其次， 根據(jù)勘測(cè)任務(wù)書(shū)， 在海洋測(cè)量軟件中定義測(cè)區(qū)范圍， 測(cè)區(qū)范圍應(yīng)輸入測(cè)區(qū)的左下角和右上角坐標(biāo)以及測(cè)圖比例尺；并根據(jù)測(cè)區(qū)范圍進(jìn)行航線設(shè)計(jì)， 即對(duì)測(cè)船航行的路徑進(jìn)行規(guī)劃。再次， 對(duì)GPS 進(jìn)行設(shè)置，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，在開(kāi)始觀測(cè)前先對(duì)已知等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)校正，以求出WGS84坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)。校正時(shí)平面校正點(diǎn)數(shù)量不少于3個(gè)，高程校正點(diǎn)數(shù)量不少于4個(gè)，校正點(diǎn)盡量分布于測(cè)區(qū)周?chē)Ｔ诳刂泣c(diǎn)的WGS84坐標(biāo)與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)成果均已知的情況下，在內(nèi)業(yè)中即可完成校正，否則，要進(jìn)行外業(yè)校正。然后， 在野外控制點(diǎn)上架設(shè)GPS 基準(zhǔn)站和基準(zhǔn)站電臺(tái)， 并啟動(dòng)基準(zhǔn)站測(cè)量； 在測(cè)船上安裝GPS 流動(dòng)站和測(cè)深儀， 并將它們都連接到主控計(jì)算機(jī)上， 開(kāi)啟計(jì)算機(jī)， 啟動(dòng)測(cè)深軟件和海洋測(cè)量軟件， 根據(jù)計(jì)算機(jī)上顯示的測(cè)船所在位置、航向指揮測(cè)船沿著計(jì)劃航線航行并采集記錄測(cè)點(diǎn)的平面、高程、水深數(shù)據(jù)。最后， 對(duì)采集到的水下地形點(diǎn)的平面、高程數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查校核后， 將其輸入專業(yè)的數(shù)字地形圖成圖軟件和斷面圖成圖軟件進(jìn)行處理，即可得到高精度的數(shù)字地形圖和斷面圖。

（二）測(cè)深數(shù)據(jù)分析比較

為了保證測(cè)深儀的測(cè)深數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，在作業(yè)前和作業(yè)結(jié)束時(shí)， 我們?cè)跍\水處分別用花桿的量測(cè)深度數(shù)據(jù)與測(cè)深儀的測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較， 在此摘錄部分比較結(jié)果見(jiàn)表1 。

在航線設(shè)計(jì)時(shí)， 我們特意把航線設(shè)計(jì)成縱橫交叉的航線， 最后我們對(duì)交叉點(diǎn)在不同時(shí)段的測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較， 在此摘錄部分比較結(jié)果見(jiàn)表2 。

由上述兩種比較可知， 利用這套系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量， 其結(jié)果是準(zhǔn)確、可靠的。

四、結(jié)語(yǔ)

總之， 利用全自動(dòng)數(shù)字水下地形測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量， 實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集直至最終數(shù)字地形圖的形成的高度自動(dòng)化， 大大提高了勞動(dòng)效率， 促進(jìn)了技術(shù)的進(jìn)步， 減小了各種測(cè)量誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡家明編譯.水上測(cè)量新技術(shù)，[M]人民交通出版社，北京，1984.

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