基于GPS技術(shù)的水下地形測量方法

李超

摘 要： 水下地形測量是河道工程的基礎(chǔ)測量工作，也是工程方案設(shè)計(jì)的必要基礎(chǔ)資料。本文重點(diǎn)講述了基于GPS技術(shù)的水下地形測量方法，討論了平面測量、水深測量、GPS控制網(wǎng)測量、成果圖處理等相關(guān)方法，希望對同類水下地形測量工作提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵字： 水下地形測量； GPS； 平面測量； 水深測量

前言

水下地形測量的目的為項(xiàng)目可研階段河道或海域的數(shù)值模擬計(jì)算以及相關(guān)方案設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的地形資料，同時(shí)也為項(xiàng)目相關(guān)專題提供相應(yīng)的基礎(chǔ)資料。

水下地形測量除滿足項(xiàng)目技術(shù)任務(wù)書基本要求外，還應(yīng)滿足國家相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）、《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/T18314-2009）、《水運(yùn)工程測量規(guī)范》（JTS131-2012）、《海港水文規(guī)范》（JTJ-145-2-2013）、《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（GB/T 24356―2009）等。本文是基于GPS技術(shù)講述了水下地形測量的方法[1-2]，主要包括平面測量、水深測量、GPS控制網(wǎng)測量、成果圖處理等相關(guān)工作方法。

1. 水下地形測量

水下地形圖測量比例尺1∶1000時(shí)，地形測量基本等高距為0.5m。比例尺1∶10000時(shí)，地形測量基本等高距為2.0m。地形圖圖式按測繪信息地理局標(biāo)準(zhǔn)圖式編制，測量圖幅按國家標(biāo)準(zhǔn)圖幅分幅。測量采用橫斷面法進(jìn)行，斷面線布置成與等高線或水流方向大致成垂直，水下地形點(diǎn)的密度以能顯示出水下地形特征為原則[3]。測量水下地形部分的1∶1000測線間距控制15m，測點(diǎn)間距控制為10m；1∶10000測線間距150m，測點(diǎn)間距100m。水底地形復(fù)雜或水工建筑物地區(qū)適當(dāng)加密，以真實(shí)地反映出地形、地貌。

1.1 平面測量

測點(diǎn)的平面位置應(yīng)采用南方S86型GPS接收機(jī)，岸上架設(shè)基準(zhǔn)站，接外掛電臺，蓄電池供電，5米天線發(fā)射差分信號，輻射半徑15公里的區(qū)域。移動(dòng)GPS接受機(jī)采用固定解記錄數(shù)據(jù)。

測區(qū)最遠(yuǎn)端離岸較遠(yuǎn)時(shí)，受轉(zhuǎn)換參數(shù)、校正參數(shù)、GPS本身的誤差影響，使測量成果產(chǎn)生一定的誤差，誤差大小無法檢查。為了進(jìn)行保證GPS記錄高程的質(zhì)量[4]，應(yīng)在基準(zhǔn)站附近設(shè)立水尺，采用水準(zhǔn)測量的方法把高程引測至水尺，在測量的過程中比較水尺與GPS記錄高程的差異，用以檢查GPS接收機(jī)的工作狀態(tài)與測量精度。避免出現(xiàn)粗差，保證水面高程的精度。

1.2 水深測量

水深測量應(yīng)采用SDE-28測深儀進(jìn)行測量，測量中，測深與平面定位同時(shí)同位進(jìn)行，以消除滯后誤差，GPS接收機(jī)接收天線應(yīng)與測深儀的換能器在同一鉛垂線上，在地形轉(zhuǎn)折變化的水深點(diǎn)或特征點(diǎn)處，應(yīng)將特征點(diǎn)進(jìn)行直線插補(bǔ)。

內(nèi)業(yè)提取兩者對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與編輯，處理成*.dat格式數(shù)據(jù)。測量過程中注意RTK差分格式，水深數(shù)據(jù)是否記錄。

水域測量每天應(yīng)收聽天氣預(yù)報(bào)，記錄當(dāng)天的天氣情況，注意人員與儀器的安全，雨天與霧天禁止水域測量。

水域測量的跨線檢查在測量全部結(jié)束后，沿與測線方向垂直進(jìn)行跨線測量，檢查點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于5%。通過比較水深數(shù)據(jù)的差值，差值均為不大于0.4m。

水位測量采用的SDE-28測深儀能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。為使水位觀測資料能貫穿于外業(yè)觀測的全過程，在水下地形測量之前，安裝調(diào)試好測深儀，啟動(dòng)后每隔為1秒鐘連續(xù)記錄相應(yīng)水位值。為了檢驗(yàn)測深儀記錄數(shù)據(jù)的正確性，每天測量開始前與測量結(jié)束后，應(yīng)用打水板與測深儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、記錄。每天工作開始后與結(jié)束前，相關(guān)改正數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)保存。

斷面測量采用上面相同方法，每個(gè)斷面之間的間距都小于200m，河流轉(zhuǎn)彎處加密斷面。在水位上漲時(shí)進(jìn)行水深測量，測點(diǎn)間距控制為不大于5m，水底地形復(fù)雜或水工建筑物地區(qū)適當(dāng)加密測點(diǎn)，以真實(shí)地反映出地形、地貌。同時(shí)兩臺RTK在河兩岸上同步測量，以完成斷面測量。

2. GPS控制網(wǎng)測量

為了確保GPS整網(wǎng)的精度和便于碎部測量，按照基礎(chǔ)控制“分級布網(wǎng)，逐級控制”的原則，采用分級布網(wǎng)的方法布設(shè)測區(qū)內(nèi)GPS控制網(wǎng)。

GPS控制網(wǎng)的觀測應(yīng)采用5臺雙頻靜態(tài)接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，平面精度為3mm+1ppm，在進(jìn)行GPS控制網(wǎng)觀測過程中按下列要求進(jìn)行：

a、作業(yè)前按《GPS規(guī)范》要求編制GPS衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)表和作業(yè)計(jì)劃/調(diào)度表，選擇最佳的觀測衛(wèi)星組以及觀測時(shí)間段，以確保觀測質(zhì)量。

b、每點(diǎn)觀測時(shí)，詳細(xì)做好野外記錄，如點(diǎn)號、點(diǎn)名、接收機(jī)天線高、開關(guān)機(jī)時(shí)間及同步觀測點(diǎn)號等內(nèi)容。

c、一個(gè)時(shí)段觀測過程中未進(jìn)行以下操作：關(guān)機(jī)又重開、改變衛(wèi)星高度角、改變采樣間隔、改變天線的位置、關(guān)閉或刪除文件。

d、不在接收機(jī)旁使用對講機(jī)，防止其他人或物體靠近接收機(jī)天線，遮擋衛(wèi)星信號。

e、進(jìn)行觀測時(shí)各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)：衛(wèi)星高度角≥15°，有效衛(wèi)星總數(shù)≥5，觀測時(shí)段數(shù)≥1.6，采樣時(shí)間間隔：10S，觀測時(shí)段長度≥60min，觀測時(shí)間為180分鐘。

f、觀測時(shí)認(rèn)真整平、對中儀器，對中誤差小于2mm，并在測前測后各量取一次接收機(jī)天線高，較差均小于3mm，并取其平均值作為最終天線高。

GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法：基線預(yù)處理采用南方公司的南方測繪GPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行，所有基線處理完畢，把可用基線輸出成適用CosaGPS軟件的數(shù)據(jù)格式；基線向網(wǎng)平差采用南方公司的CosaGPS軟件進(jìn)行平差。

3. 成果圖處理

3.1 縮編圖的編輯

地形圖在成圖軟件AutoCAD上進(jìn)行編輯，將外業(yè)所作碎部測內(nèi)容編輯到地形圖中，對地形圖的線性、符號、注記字高等等一一進(jìn)行編輯，最后存儲為AutoCAD的格式。

3.2 地形圖的編輯

根據(jù)外業(yè)測繪內(nèi)容在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編輯，首先將DGN格式文件轉(zhuǎn)換成AutoCAD DWG格式，在成圖軟件Cass9.0上進(jìn)行編輯，最后存儲為AutoCAD的格式。編輯采用人工干預(yù)的方法對立體測圖時(shí)表示的所有線條要素參照外業(yè)調(diào)繪圖認(rèn)真逐一進(jìn)行修改，其主要內(nèi)容包括：

（1）圖層、圖塊、線型的設(shè)置存放

地形要素的分層存放，符號以塊（Block）方式存在，塊和線型均以插入方式編入圖形文件中，以脫離原符號庫和線型庫。

（2）圖面各要素的編輯

①增補(bǔ)外業(yè)調(diào)繪的地形圖要素，主要有獨(dú)立地物、工礦要素、房屋層次、管線性質(zhì)、電力線性質(zhì)及走向、河流、溝渠等，全部按照地形圖相映的圖式符號表示在數(shù)字地圖上，并按調(diào)繪的地形圖加注了名稱及性質(zhì)的說明文字。

②將外業(yè)測繪的高程點(diǎn)及高程值用展點(diǎn)程序轉(zhuǎn)注到數(shù)字地形圖上，并繪出等高線。等高線要賦高程值。

③植被符號、注記名稱大小按《1∶500、1∶1000、1∶2000 地形圖圖式》要求執(zhí)行表示。

④為使圖面美觀，計(jì)算機(jī)編輯過程中使用了多種捕捉功能。高程點(diǎn)注記和文字注記放置最佳位置，圖面線劃和符號無重疊。

⑤說明和地名注記字體：字高、注記按照《圖式》規(guī)定執(zhí)行。

（3）圖外整飾，圖廓整飾

圖幅上方正中注記圖號及流水編號。圖廓坐標(biāo)及圖號均應(yīng)注記坐標(biāo)整公里數(shù)。詳細(xì)按《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）執(zhí)行。

（4）圖邊拼接

作業(yè)員之間、作業(yè)組之間按照接邊的一般原則進(jìn)行了圖幅間的接邊，圖幅間接邊后要整個(gè)測區(qū)圖幅的接邊檢查，以檢查整個(gè)圖面內(nèi)容的完整性和正確性；圖幅間接邊時(shí)，接邊誤差均小于2倍中誤差，則接邊情況良好。

4. 結(jié)語

國內(nèi)采用GPS技術(shù)進(jìn)行水下地形測量已廣泛應(yīng)用，GPS技術(shù)測量精度高、效率快，為水下地形測量工作提供了便利。本文對水下地形測量工作中的平面測量、水深測量、GPS控制網(wǎng)測量、成果圖處理等方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，希望為同類項(xiàng)目工程提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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