基于GPS的水下地形測量分析

韓毅騰

摘? ?要：水下地形測量是一種非常重要的測繪工作，在港口建設、航運安全、水資源開發等方面發揮著重大的作用，隨著我國經濟的發展，測量技術也取得了很大的進步，尤其是基于GPS水下地形測量技術較為普及。本文闡述了GPS水下地形測量的基本原理、測量方法，并通過工程實踐分析給出了具有實踐意義的觀點。

關鍵詞：水下地形測量? GPS? 實踐分析

中圖分類號：P228? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0009-02

水下地形測量是一種重要的測繪工作，在橋梁、水庫、碼頭、港口等施工建設中水下地形測量有著很大的作用，它的主要工作內容是測量江河湖海以及近海水底點的平面位置以及相應的高程，以便繪制水下地形圖，是現代水利工程中的一項重要工程技術[1]。根據不同條件和情況選擇合適的方式進行水下地形的測量工作。

1? 平面定位測量

1.1 全站儀測量

全站儀是全站型電子測距儀的簡稱，是將電、光、機融為一體的高科技測量儀器，能夠實現水平和垂直角度、距離和高差的測量。全站型電子測距儀之所以叫全站儀，是因為儀器布置一回就能夠完成該測量站的所有目標的測量。利用全站儀，按方位―距離的極坐標法進行定位。觀測值通過無線通信可以立即傳輸到測船上的便攜機中，立即計算出測點的平面坐標，與對應點的測深數據合并在一起;也可儲存在岸上測站與全站儀在線連接的電子手薄中或全站儀的內存中。到內業時由數字測圖系統軟件，可自動生成水下地形圖。

1.2 GPS定位測量

GPS的英文全稱是Global Positioning System，中文名稱是全球定位系統，它是通過近地軌道衛星在全球范圍內進行實時定位的一個系統。GPS主要是通過近地軌道衛星的瞬時位置確定已知點的起點數據，并利用空間距離后交叉法確定要測量的位置。在實際應用中，可以利用動態或者靜態測量的技術歸解坐標數據，能夠達到非常高的定位精度。GPS-RTK技術GPS定位技術新的發展方向，它是利用載波相位動態實時差分技術，能夠達到厘米級的實時定位。在科學技術不斷發展的今天，GPS-RTK在陸地地形測量、水下地形測量領域的應用已經非常廣泛，推動了測繪技術的革新。

2? 水深測量的方法

水下地形測量主要的內容之一就是水深測量。它是測定水底某點平面位置對應其在水面以下的深度，是河底、湖底、海底及其它水域地形測量的基本手段，根據使用的測量工具的不同，水深測量的方法可以劃分為：聲吶測量、激光雷達測量[2-3]。

2.1 聲吶測量

聲吶測量是根據超聲波在均勻介質中以均勻速度傳播并在不同介質界面反射的原理，選擇對水的穿透能力最佳、頻率在1500Hz附近的超聲波，向水底發射聲波并且記錄聲波發出和返回的時間間隔，通過特定算法得到水深數據。在水深測量和航海領域中聲吶測量儀獲得了廣泛的應用。測深聲吶分為單波束測深聲吶和多波束測深聲吶，在水下地形測量領域中，都得到了有效并廣泛的應用和普及。

2.2 機載激光測深（LIDAR）

LIDAR的英文全稱為Light Detection And Ranging，中文名稱激光探測與測量。激光雷達測深的原理是從飛機腹部向水面垂直發射激光，一般發射特定波長的兩種激光，分別為紅色激光和綠色激光，紅色激光光束由于理化特性照到水面會被反射，綠色激光光束則會照射到水里，直至到達水底再被反射出來，飛機上的激光接收器會計算兩束光接收的時間差，這個時間差的一半就等于綠色激光從水面到水底的傳播時間，根據光的傳播速度和傳播時間即可求得水深。機載激光雷達測深系統的可以探測50m左右的水深，精度能夠保持在0.3m左右。

3? 水下地形測量實踐分析

3.1 工程測量

本文選擇基于GPS-RTK的Sonic 2022多波束測深系統在國內某港航道水下地形測量中的應用進行分析和總結。該航道長約21km，航道的寬度約260m，選擇1：2000比例尺進行施測。工程測量使用航標測量船，船長40m，船寬8.8m，吃水2m，動吃水0.06m。Sonic 2022多波束測深系統按要求安裝在測量船指定位置上。工作前使用GPS-RTK測定坐標轉換參數、利用聲速測試儀測量水域的聲速剖面曲線一同錄入到采集軟件系統中，在港口池里選擇平坦的以及地勢變化較大的區域分別設立一條平行的測線進行多波束安裝校正，包括橫搖、縱搖以及艏搖等。工程測量時GPS-RTK多波束測深系統選擇100°掃寬，調入已定的網格和測線，運行系統的各個儀器設備，當航標測量船進入測量區域并沿著已定測線航行時，各個儀器設備開始實時采集測量數據，同時形成數據文件記錄保存在電腦里。數據采集由Qinsy軟件配合Qloud2.3數據采集軟件完成，本次掃測完成后，經現場觀察及后期數據回放檢查，掃測范圍內測線覆蓋良好，沒有出現空白區。后期圖形處理軟件采用HYPACK軟件，最后生成1：2000 航道水下地形圖。

3.2 成果分析

為了驗證GPS-RTK多波束無驗潮測深技術的高效性、準確性及可靠性，采用二種方式進行驗證：（1）系統內符合驗證;（2）系統間平面定位精度誤差對比。

（1）系統內符合驗證。測量過程前需布設多條交叉重疊的測線進行水深測量，采用相對精度評估的方法，摘錄其中1958 個重復測量點進行誤差分析。經過統計分析本回測量有96%的測深值偏差小于0.1m，100%的測深偏差小于0.3m，符合國家標準及相關規范要求[4]。

將本次GPS-RTK作業中的坐標定位的結果與全站儀獲得的坐標結果（已知）進行比較（見表1），可知，GPS-RTK取得的坐標點位，其精度可達厘米級，各點位之間不存在誤差積累，與全站儀取得結果符合度高，滿足水下地形測繪的要求[5]。

（2）Sonic 2022多波束測深系統與HY1602雙頻測深系統間測量誤差對比。在航道較平坦區的水下，采用雙頻單波束測深和GPS-RTK多波束無驗潮測深兩種方法分別對同一片區域（測區范圍內200m×500m 范圍）進行測量。將產生的兩組數據在HYPACK中進行點對點對比。其中，灰色數據點為Sonic多波束測得的水深數據，黑色數據點為HY1602雙頻單波束測深儀測得的。從兩組原始數據中提取坐標相近的60個數據點（XY相差不大于0.3m），將它們的水深值進行比較，對比結果的精度符合規范的要求，判定是合理的。

4? 結語

伴隨科技力量的進步而日益成熟的GPS-RTK技術，給水下地形測量帶來了全新的革命，尤其是GPS-RTK無驗潮技術與多波束測深系統的結合可以使得水深測量作業測量范圍更大、效率更高、精度更可靠。同時，減少了人工和設備成本，不要求通視條件，全天候作業的方式，極大地推動了水下測繪的發展。本文通過闡述平面定位和水深測量的傳統及先進測量方式，經過實踐分析和數據比對，確認基于GPS-RTK的多波束測深系統能夠滿足水下地形測量的精度和效益要求。

參考文獻

[1] 高斌，吳向陽，劉娟.GPS在水下地形測量工程中的應用[J].測繪科學，2009（34）：228，258.

[2] 汪志明.差分GPS和測深儀組合系統在水下地形測量中的應用研究[D].武漢大學，2003.

[3] 李學恒.水下地形測量技術方法應用分析[J].工程技術，2007（2）：63-64.

[4] 國家質量技術監督局.GB12327-1998海道測量規范[S].北京：中國標準出版社，1999.

[5] 方穎.長江口水下地形測量數據處理[J].測繪通報，1999（3）：31-32.