水利測量中測深儀與GPS技術的聯合應用

游興彪

(撫順市水利建筑工程處，遼寧 撫順 113008)

極坐標、側方、前方和后方交會等為傳統的測繪定位方法，這些方法作業效率低、操作繁瑣且定位精度往往不高。此外，采用傳統的方法獲取水下地形3維信息時較為困難。所以，如何快速、高精度的獲取水下地形3維信息成為工程勘測界、測繪界亟待解決的問題。近年來，GPS-RTK定位技術因具有不必點間通視、施測靈活、減少工作量、不受天氣限制、速度快、精度高等優點，已廣泛應用于水利測量領域，其操作規程與技術方法也日趨成熟。GPS系統具備全天候、連續、實時、全球性定位和導航功能，可以獲取高精度3維時間、速度、坐標滿足各類用戶要求。目前，GSP-RTK定位技術以平面1ppm+10mm、高程1ppm+20mm精度為主。隨著科技的進步和水利事業的快速發展，在海洋水深、庫容、水庫和航道地形測量等領域測深技術得到廣泛應用。因此，對水利工程或河道水下定位點高程、坐標利用測深儀與GPS-RTK技術測量，能夠綜合兩種技術優勢彌補傳統測量方法存在的不足，顯著提升測量精確度和效率，為促進水利事業發展和推廣水利測量技術提供科學依據[1-3]。

1 水利測量中的應用要點

1.1 GPS-RTK技術

GPS-RTK定位系統主要包括數據傳輸、基準站和流動站三大部分，其工作原理以局域差分法為基礎：基準站通過數據鏈將測站點坐標、載波相位觀測值、偽距、接受機與衛星跟蹤狀態傳輸給流動站，流動站同步完成基準站信息的接受和GPS載波相位數據的采集，經系統內差分計算求解基準站間與流動站坐標差(△X、△Y、△Z)、整周模糊度等數據，從而獲取坐標系統下流動站位置坐標值。最終，經參數轉換和坐標轉換處理獲取3維坐標系統下流動站的坐標。

對外界環境、地形和地勢傳統的測量方法要求較高，必須完全符合相關要求方可測量，較傳統的測量方式GPS-RTK技術存在明顯的差異，該技術適用范圍廣且對作業環境要求低，外界環境對該技術的影響程度較低。此外，GPS-RTK技術較傳統的測繪方法大大提高了定位的精確度，并且顯著提升了數據傳輸的可靠性和及時性，加之能夠實現持續接受與傳輸實時差分數據，確保了動態定位的精準度，該技術是一項結合現代通訊和衛星定位功能的實時動態新型定位技術[4-6]。實際應用過程中GPS-RTK技術主要有偽距離測量和載波相位測量兩種模式，這兩種作業模式都需要配合基準站和流動站的架設，在兩站間信號傳輸時該測量技術受到距離的限制，所以建設過程中兩站間的距離不能超出一定范圍，否則將對定位準確性和測量精度產生影響。隨著網絡通訊和現代信息技術的發展，將進一步提高實際測繪時該技術的可靠性。

1.2 測深儀技術

回聲測深原理為測深儀技術的主要依據，其工作流程為：換能器發射聲波→傳送至海底引起反射→換能器接受→求解聲波發射、接受時間差→經數學模型適當修正獲取聲波的傳播距離，通過以上轉換處理可以求解對應的水深值h深。采用簡化模式下的計算公式求解水深值，即：h深=C·t/2，其中t、C為聲波往返于海底的時間和水中聲波傳播速度。

現代化測深系統中測深儀技術占據著重要地位，為充分發揮探測儀功能還要配合水深采集軟件、工控電腦等聯合應用。一般情況下，多波束和單波束測深儀為比較常用的水利測量設備類型。其中，換能器為主要功能設備，水下作業過程中換能器往往會產生蜂鳴噪音，為防止對回聲接受產生影響必須對噪音實行有效的控制。在原有變頻功能的基礎上一些基于回聲原理的測深系統設計增強了回聲，為了靈活操作與設定斷面部分系統作了適當的改進調整，按預設的制定斷面測深儀可以實現測量作業。此外，水下地形因素可在一定程度上對水利測量作業產生影響，其中散點法和測深線法為工程實際中較為常見的測點布設法，為確保測量的有效性、科學性應考慮測量任務要求和實際環境條件，科學設計測量航線。因此，要準確把握測線間距與方向，測線間距應防止出現空白或疊加現象，可以適當加密關鍵區域，而測線方向要最大限度的保持垂直于預計等深線[7-9]。

1.3 兩種技術的結合應用

1.3.1 GPS坐標參數的合理轉換

確保GSP坐標參數的適應性為綜合應用測深儀與GPS-RTK技術的重要前提，考慮到測量過程中不同地區的GSP坐標參數標準存在較大差異，所以水利測量前要對坐標參數按照實測坐標差異調整轉換。例如，測量使用的北京54坐標和實測的WGS-84坐標，有必要選用四參數法對其轉換處理，主要流程為：在河道下游和上游端設置S1、S2、S3三個已知點，然后選擇某高點位置(一般為河道中間)架設基準站，并對RTK流動站按照程序進行安裝，相關鏈接的設置應符合合理性要求，接受基準站差分信號后其解應屬于固定解，該條件下代表流動站與基準站能夠成功接受、發射差分信號；最后，在已知點S1、S2處架設流動站，對接受的衛星數據做平滑處理獲取WGS-84坐標下的S1、S2點數據，為得到本地區相應的坐標引入四參數轉換方式對以上數據處理，最終可以確定已知點四參數。測量轉換過程中尺度因子應滿足1.000或0.9999精度要求，由此保證獲取的參數精度，否則要重新采集點位數據，以及再次完成參數轉換。將轉換之后的參數輸送至接收站，并對S3點坐標校核，特殊情況下還可實行補測工作，待符合預設精度目標后可以用于流動站坐標的測量。

1.3.2 GPS-RTK與測深儀的結合應用

將GPS-RTK的流動站與測深儀結合為一體是綜合應用兩項技術的主要內容(見圖1)，通過固定于測量船只周圍以及選用合適的轉換計算方法，可以對水下各相應測點高程信息利用流動站所采集和回傳的數據類確定。在測深軟件的水深數據采集、導航、自動同步定位等功能正常的情況下，測深系統可以確保數據的實時動態采集，以及數據的精準度和可靠性。此外，實際作業過程中測深系統與GPS-RTK系統保持相對獨立，為防止出現時鐘誤差對兩系統產生影響，需要對各項功能的系統時間以GPS時鐘為標準統一設定。測量作業正式開始前，為減少測量誤差必須利用鋼尺準確測量流動站天線偏差、水面至天線高等，并利用測深軟件及配套的電腦設備輸入測得的數據，經一系列轉換處理設定至RTK手薄，針對已知點水面高程數據利用岸上的全站儀設備測量，并對水深利用測尺測量，對比分析測深儀與GPS-RTK測量數據，在符合一致性要求的情況下開始測量作業[10-12]。以每隔十秒的頻次對測量數據進行采集、發送，通過分析與篩選保留有效的數據信息，為保證測量精度還需要測量已知的三個點，以平均誤差判斷測量結果的可靠性，從而獲取能夠滿足精度要求的測量數據。

圖1 聯合作業系統

1.3.3 實測技術分析

實際作業過程中利用聯合系統時，受兩技術同步時差、RTK高程精度、船體搖擺、采樣速率等條件作用，測量結果通常會出現一定偏差。所以，必須考慮以下問題保證實際作業中測量結果精度，即：

1)修正船體擺動姿勢。船體姿勢受波動瞬時變化的影響發生相應的改變，在無驗潮模式下這種變化對GPS水下測量產生較大的影響，因此必須采取相應的對策。將觀測值利用姿態參數進行適當修正以降低波浪的影響，其中姿態補償主要有高程與位置的修正。

2)采樣延遲和速率產生的誤差。測深儀與RTK聯合作業時，每個點必須保證有2-3個同時測量數據，由此方可確保3維點位做報的可靠性。然而數字測深儀的輸出速率與GPS采樣、數據傳輸速率可能具有時間上的延遲，從而對瞬時采集密度與精度產生直接影響。因此，延遲校正時有必要適當調整該誤差，通過求解斜坡往返測量值和利用以往的經驗數據獲取該調整值。

3)基準站的合理選擇。所選基準站的位置可在一定程度上對數據傳輸的有效距離產生影響，基準站位置的合理選擇可以減少數據傳輸的功能耗損，保證數據信息的準確性和可靠性，同時降低自然環境可能產生的多路徑誤差。此外，考慮到發射的無線電信號和接受的衛星信號較多的實際情況，應盡可能在無大范圍干擾和遮蔽無線電的區域設置基準站，一般將基準站架設于地勢較高和視野開闊的位置。

4)RTK高程可靠性分析。一直以來，采用RTK高程測量水深的可靠度問題備受關注，正式作業前應對比驗潮觀測水位和RTK無驗潮水位，結果發現能夠滿足精度要求。因此，在無法獲取潮位資料的條件下，這種作業方法仍然滿足可靠性和精準度要求。

2 兩項技術結合應用的優勢

將測深儀與GPS-RTK技術相結合能夠兼具兩者的技術優勢，更好的發揮技術優點，可以體現在以下方面：從高程與平面定位的角度，兩項技術都能夠達到厘米級定位精度，該水平可以符合大部分水利測量的準確度要求；從測量效率的層面，測量時GPS-RTK技術的應用無需配備過多的工具、設備，并且具有良好的實時動態測量效果和功能，所以可以大大降低對物力、人力的投入，由于具有較強的數據自動化分析與處理功能，在大大提高測量作業效率的同時還可明顯減輕測量人員壓力及工作強度；兩種技術的結合測量不易受水面變化的影響，水面條件要求低且能夠保證測量數據精度，持續不間斷連續測量可以大大降低測量的時間成本，有效解決傳統測量方法受時間、環境等因素的限制。

3 結 語

科學準確的水利測量數據為充分發揮水利工程功能效益的重要保障，精準的測量數據也是推動水利事業發展和水資源合理開發的可靠依據，因此深入研究與分析水利測量技術具有重要意義。將測深儀與GSP-RTK技術相結合極大的推動了水利測量技術的發展，為實現水利工程質量、安全、進度、工期目標和水利勘測設計質量提供科學指導。