基于GPS的水下地形測量及實踐分析

鄭善磊

(山東水總有限公司，山東 濟南 250000)

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，其主要工作內容為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]。這種測繪工作包括平面定位測量和水深測量[2]，平面定位測量可利用經緯儀、全站儀、GPS等進行，水深測量可利用測深桿、測深錘、聲吶測深儀等進行。根據相關測深標準進行布點測深，通過相應的軟件形成水下地形圖。可以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 經緯儀測量

水下地形測量的初期常用到經緯儀，需要測站設置經緯儀，在河流堤壩上每間隔一段距離地勢較高的位置埋一個預制好的水泥石標作為控制點。用控制測量的方法測出各水泥石標的平面坐標。經緯儀的工作效率較低，平面定位測量需要較多工作人員，工作進度慢。鑒于人工成本和測量精度，目前已經逐漸淘汰利用經緯儀進行水下地形測量。

1.2 全站儀測量

近年來，隨著測繪科技的進步，測繪儀器不斷更新，已很少采用傳統的光學經緯儀前方交會法定位。全站儀已經廣泛普及應用，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。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簙中或全站儀的內存中。

1.3 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-RTK差分定位技術是基于GPS定位的一種新的算法，它的基本原理是：GPS接收器放置在基站上以連續觀察該位置上空可用的GPS衛星，并將觀測數據通過無線電傳輸設備實時傳輸到移動觀測站。在移動平臺上，GPS接收器在接收衛星信號的同時，無線電接收裝置接收由基站發送的觀測數據，然后計算并顯示流動站的三維坐標及其精度[3]。GPS-RTK技術原理見圖1。RTK技術可大幅度提高實時定位精度，消除了傳統GPS定位系統所面臨的衛星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差和對流層誤差等難題。

圖1 GPS-RTK技術的原理示意圖

GPS技術在水下地形測量中能發揮更大的優勢，它不要求通視、能夠全天候作業、不受常規的技術條件限制，人工成本低，精度高，隨著技術的進步，GPS設備費用已不再昂貴，使得GPS在陸地、水下地形測量領域的應用更加廣泛。近年來，水下地形測量的技術大多都是采用GPS-RTK獲取平面坐標、測深儀獲取深度數據的基本模式[4]。

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、海底及其他水域地形測量的基本手段，根據測量工具的不同，水深測量可分為人工測量、聲吶測量和激光雷達測量。

2.1 人工測量

在水下地形測量中，最早的測深工具是測深桿和測深錘。測深桿、測深錘等機械式測深儀器的特點是可直接量出水底與水面之間的距離，方法簡單直接，但隨著深度加大，觀測難以實施，測深精度也難以保證，導致在水下地形測量中，傳統的人工測量逐漸被淘汰。盡管現在的測深設備主要是測深聲吶，但是在水草密集的區域，或者極淺灘涂等聲吶設備無法工作的地方，人工測量仍然在發揮作用。

2.2 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，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應用廣泛。測深聲吶分為單波束測深聲吶和多波束測深聲吶。

2.2.1 單波束測深聲吶

單波束測深聲吶一般由顯示器、激發器、接收器、發射換能器、接收換能器和電源組成。該設備需要安裝在船底，設備組成見圖2。

圖2 單波束測深聲吶設備原理示意圖

單波束測深聲吶的發射換能器只能發射一束聲波脈沖。測量船安裝的單波束測深聲吶向水下發射聲波脈沖，聲波經水底的反射返回并被接收換能器接收。聲吶測量水深相應的計算如下：

H=Ct/2

(1)

又因D=H+h，根據式(1)可得

D=Ct/2+h

(2)

式中H——換能器和水底之間的距離，m；

C——聲速，m/s；

t——聲波發射到接收所經歷的時間，s；

D——水面和水底之間的距離，m；

h——換能器的吃水深度，m。

傳統的單波束測深聲吶只能測量船正下方的水深，為了獲得令人滿意的水下地形，通常設置一些平行的測線。即使布設很密的測線仍不能保證對水下的全覆蓋，測線之間的水下地形，特別是一些孤立的特征地形很容易被漏測。因此，多波束測深聲吶應運而生。

2.2.2 多波束測深聲吶

多波束測深聲吶(Multibeam Echo Sounding Sonar)也稱為多波束測深儀，亦稱為條帶測深系統，能以條帶測量方式，對測量區域進行全覆蓋、高精度的測量，克服了單波束測深聲吶只能沿著測線測量水深的缺點。它把測深技術從原來的點、線測量擴展到面狀測量，從二維測深轉化為立體測深，推動水下地形測量技術的發展。高精度多波束測深系統有“水下攝影機”“水下CT”之稱。在多波束測深聲吶系統中，換能器配置的是單元陣列，通過改變不同單元的相位值，在發射端就會發射出不同角度的多個波束，這樣，發射一個波束就會在接收端收到多個波束[6]。多波束測深聲吶的測深原理示意見圖3。

圖3 多波束測深聲吶測深原理示意圖

由于多波束測深聲吶系統與常規單波束測深聲吶系統相比，具有全覆蓋、無遺漏的優勢，在精度、分辨率與水下地形成像質量上有大幅度的提高，改變了傳統的水下地形測量技術按比例尺作業的模式。

2.3 激光雷達測量(LIDAR)

LIDAR的英文全稱為Light Detection And Ranging，中文名稱激光雷達測量。激光雷達測量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，飛機上的激光接收器會計算兩束發射激光接收的時間差，根據光的傳播速度和傳播時間求得水深。機載激光雷達的優勢在于獲取快速，可應用于大面積、海岸線、船只無法進入的區域等場所。但由于激光的特性，對于水質的要求很高，水質渾濁的區域無法使用激光雷達，因此該技術尚處于小范圍試驗階段。

3 水下地形測量方式對比及實踐分析

3.1 測量方式選擇

綜上所述，目前主流的水下地形測量方式為GPS-RTK定位系統結合多波束測深聲吶借助強大的數據圖形分析軟件進行水下地形測量。GPS-RTK的多波束測深系統主要分為三個部分：?聲學系統：包括多波束換能器陣、多波束信號處理系統；?功能設備：提供平面坐標的GPS-RTK衛星定位系統，用以提供測量船橫搖、縱搖、艏向、升沉等姿態數據的姿態傳感器，用以提供所測海區潮位數據的驗潮儀，用以提供所測海區聲速剖面信息的聲速剖面儀等；?儲存及顯示設備、數據處理軟件及其他相關軟件[7]。

受波浪和潮汐的影響在進行水面深度測量時，水深數據需要經過換能器涌浪、吃水、水位、聲速等校正才能得到相對于某一深度基準面的水深，無論是單波束還是多波束等測深方式，只要使用傳統有驗潮測量方式，這幾項的校正都影響到了水深測量的最終精度。近年來基于GPS-RTK技術提出了無驗潮水深測量方式。無驗潮無須人為進行水位觀測，節約人工和觀測成本；有效地消除測量船只受波浪作用而上下浮動的影響;避免潮位觀測引起的水位校正誤差，并獲得即時水位[8]。多波束測深系統在工作時，由GPS-RTK定位系統將基準站的載波相位差分值發給移動臺，改正移動臺接收到的載波相位，再解算移動臺的坐標[9]。

為了對比基于GPS-RTK的水下地形測量模式的平面定位精度，采用Topcon GTS-1002全站儀進行平面坐標定位實驗，其中GPS-RTK的天線與全站儀目標棱鏡設置在測量船的同一豎向點上，保證其測量的值是同一點的坐標。測量點的數據在采集時，統一聽從調度員指揮，以保證數據采集的同步。

3.2 工程實踐分析

3.2.1 工程測量

本文選擇某港航道水下地形測量中的應用進行對比分析和總結。該航道長約21km，航道的寬度約為260m，選擇1∶2000比例尺進行施測。航道情況見圖4。

圖4 航道示意圖

GPS-RTK定位系統采用X10智能RTK測量系統，結合Sonic 2022多波束測深系統進行水下地形測繪，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。工作前使用X10測定坐標轉換參數，利用聲速測試儀將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，多波束掃描測量的三維圖見圖5。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。

圖5 1∶2000水下地形三維圖

3.2.2 成果對比分析

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，采用以下四種方式進行對比分析：?系統內符合驗證；?系統間平面定位精度誤差對比；?系統間水深測量精度誤差對比；?系統間工作效率對比。

a.系統內符合驗證。測量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。多波束測深重復測深點的統計結果見表1。

表1 多波束測深重復測深點統計

b.基于GPS-RTK多波束測深系統與全站儀平面坐標定位誤差對比。在GPS-RTK測深儀完成水下地形測繪后，單獨對GPS-RTK與全站儀的坐標定位進行對比，將Topcon GTS-1002全站儀設立在港口碼頭的控制點上，用港口旁GPS參考站為后視方位進行坐標校對，測量船上X10設備的天線的正下方設置三棱鏡，以便GTS-1002全站儀可以瞄準觀測。X10智能GPS-RTK定位系統開啟手動錄入模式，船上測量員和全站儀測量員配置對講機，第三方調度員通過對講機確認測量點，同步進行數據記錄，由于全站儀對船速要求較高，測量船的船速需控制在2m/s以下才能滿足1∶2000的定位要求，此次測量港口同一水域的8組數據，測量結果見表2。由表2可知，X10智能GPS-RTK系統取得的坐標點位，其精度可達厘米級，各點位之間不存在誤差積累，與GTS-1002全站儀取得結果符合度高,充分表明，在限制船速犧牲時間成本的情況下，GPS-RTK的測量精度同全站儀一致，若提高船速到6節以上(3m/s)，提升工作效率，則全站儀測量員無法準確跟蹤觀測，亦無法保證測量精度，而GPS定位系統因其特殊的定位技術可以滿足要求。

表2 GPS定位結果與全站儀定位結果的對比

c.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200m×500m)進行測量。將產生的兩組數據在HYPACK中進行點對點對比，見圖6。

其中，淺色數據點為Sonic多波束測深儀測得的，深色數據點為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(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。多波束測深儀與單波束測深儀對比結果見表3。

圖6 Sonic 2022多波束測深儀與HY1602雙頻測深儀測深數據對比

表3 多波束測深儀與雙頻測深儀的測深數據對比

d. Sonic 2022多波束測深系統與HY1602雙頻測深系統間工作效率對比。在相對平坦的區域，選取測區800m×300m范圍，水深20～50m之間，雙頻測深儀按照25m間距布設測線，可布設300m長測線30條，多波束測量布設測線寬度可以按照5倍的最低水深去設置，測線采集重復度按35%設定，可布設800m長的測線6條；使得測量船的船速保持在6節左右，在這種工作條件下，多波束測深儀的單位面積測量時間為2.42h/km2，雙頻測深儀的單位面積測量時間為5.83h/km2，由此可知，同等背景條件下，多波束測深儀比雙頻單波束測深儀的工作效率要高。

4 結 語

在相同條件下，對比全站儀和GPS-RTK平面定位精度以及對比單波束和多波束測深系統的測深精度，可看出基于GPS-RTK的多波束測深系統具有高效率的特點，它們的結合可使水深測量作業測量范圍更大、精度更可靠；同時，可以減少日益增長的人工成本，不要求通視條件，全天候作業的方式，也極大地推動了水下測繪的發展。當然，目前GPS-RTK結合多波束測深系統尚存在一些問題需要后續的研發工作者去解決，如GPS基準站的抗干擾性需要提高，GPS-RTK定位頻率和測深儀的測深頻率的匹配性，測深軟件的三維成像準確性等。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，經過工程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，未來必將成為水下地形測量的普遍應用技術。