GPS-RTK配合數(shù)字測深儀在水下地形測量中的應用

摘要：文章簡要介紹了GPS RTK技術結合數(shù)字測深儀的工作原理及方法，并結合工程實例分析了利用該系統(tǒng)作業(yè)時的外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內業(yè)數(shù)據(jù)處理過程，探討了實際應用中應注意的相關問題，并得出一些經(jīng)驗性結論。

關鍵詞：GPS-RTK技術 數(shù)字測深儀 水下地形測量

1 概述

河道測量是在防御水害、興修水利的過程中逐步發(fā)展起來的，是河流治理和開發(fā)的基礎。河道測量主要是河道水下地形的測量。水下地形測量就是利用測量儀器確定水底點的三維坐標的過程。

河道水下地形測量的傳統(tǒng)方法是先在沿河岸布設一定數(shù)量的控制點，然后采用經(jīng)緯儀配合測距儀、全站儀等獲取水下所需測點的平面位置，利用測深桿、測量錘、回聲測深儀等獲得該平面位置處的水深，而獲得水下點的三維坐標。該方法不僅受儀器精度、距離、天氣、通視及通訊等條件限制，而且工作效率很低。

隨著電子聲納、GPS（全球定位系統(tǒng)）等技術的發(fā)展，GPS-RTK與數(shù)字測深儀相結合的三維數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理的自動化測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)克服了上述方法測量中的種種條件限制，且大幅度提高作業(yè)效率和減少勞動強度，同時精度也得到了有利的保證與提高，實現(xiàn)了水下測量的自動化、數(shù)字化和系統(tǒng)化。

本文簡單闡述GPS-RTK技術的工作原理及方法，并通過實例驗證新技術的優(yōu)越性，為深入類似水下地形測量提供參考。

2 RTK技術及水深測量原理

RTK系統(tǒng)是由一個基準站、若干個GPS接收機、無線電數(shù)據(jù)鏈電臺及發(fā)射天線、直流電源等組成。RTK的工作原理是將一臺接收機設置為基準站，另一臺或幾臺接收機設置為流動站，基準站與流動站同時接收同一時段、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，基準站所獲得的觀測值與已知位置信息進行比較，得到GPS差分改正值。然后將這個改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺及時傳遞給公視衛(wèi)星的流動站接收機，精化其GPS觀測值，從而得到經(jīng)差分改正后流動站準確的實時位置。目前RTK平面精度可以達到1cm左右，滿足水下地形測量需求，這樣通過RTK測定水下點的平面位置，取代了以往的全站儀等儀器測量平面位置的傳統(tǒng)方法。通過測深儀測得該點位置的水底水深。如下公式（1）可以算的該水下點的高程：

Hd=Hs-D (1)

其中，Hd為水下地形點高程；Hs為對應處的水面高程；D為由測深儀測得的水深（圖1）。

這樣可以通過RTK技術與數(shù)字測深儀結合形成一個水下地形測量系統(tǒng)，來獲取水下地形點的三維坐標。

3 實例驗證

3.1 工程概況

埠港新港液貨運輸專用碼頭位于淮河南岸蚌埠市禹會區(qū)宋家灘，距蚌埠閘下游約4公里，蚌埠新港（一期）下游。蚌埠港液貨運輸專用碼頭設計吞吐量為20萬噸，建設1個300噸級兼顧500噸級液貨泊位，采用浮碼頭結構型式。為滿足港口設計要求，我院承接了此次水下勘測任務。

3.2 控制資料

本次測量利用已有控制點為淮河干流蚌埠段控制點BBG1、BBG2和F842，淮北大堤蚌郊段竣工測量圖根控制點BJtg12。平面坐標系采用1954年北京坐標系統(tǒng)。高程基準采用1985國家高程基準，淮河干流蚌埠段七參數(shù)。

3.3 外業(yè)施測

3.3.1 測前準備

本次測量采用中海達GPS-RTK配合中海達數(shù)字化測深儀HD-31;將中海達GPS-RTK系統(tǒng)的基準站架設在地勢較高、開闊的地方并開機，設置完成后可以看到基準站接收機和電臺都在發(fā)射信號。斷開手簿與基準站的連接，將其與流動站接收機連接起來，并設置流動站直到初始化成功出現(xiàn)點固定解的值。然后將參考橢球系設置為1954北京坐標系，完成投影參數(shù)設置（中央子午線 117°，高斯投影3°帶），并輸入七參數(shù)。設置完成后，用BBG1對RTK進行點校正，并校核BBG2、F842得出校核誤差是在測量限差規(guī)定的范圍內后，即可進行測量。

3.3.2 港口水下地形測量

選擇合適的測量船并固定好測深儀換能器，測深儀主機放在駕駛倉中，通過數(shù)據(jù)線與換能器相連，再利用HD-31自帶的NAV310測量軟件，把GPS接到測深儀后面的串口(COM1或COM2)后，正確設置好換能器吃水深度、GPS天線中心到水面的距離、聲速等各類參數(shù)。測深軟件獲取水深值由測量軟件直接調用，實現(xiàn)零延遲傳送，水深和定位達到了同步。正確設定好GPS參數(shù)，有效定位解設為RTK固定解。開始測量前必須對測深儀進行水深校核（表1）。通過比較得出測深儀符合施測要求。開始測量，調出計劃線，根據(jù)計劃線指導測量船的航行方向，并同步采集記錄測量數(shù)據(jù)。

表1 測錘的量測深度和測深儀量測深度數(shù)據(jù)比較表

3.3.3 作業(yè)中需要注意以下幾個問題：

①測站架設在四周視野開闊，高度角15°以上不允許有成片的障礙物存在，遠離大功率發(fā)射源、高壓線、變壓器等減少信號干擾；對測站供電的電瓶一定要有足夠的電量。

②根據(jù)衛(wèi)星星歷預報，選擇幾何圖形強度因子較小、衛(wèi)星數(shù)量較多的時間段進行測設。流動站天線盡可能保持垂直，以確保測設出的數(shù)據(jù)是固定解。

③根據(jù)測圖比例尺及任務要求布設一系列間距為25m平行測線，測深儀采點間距設置為5m一點，在靠近水邊和地形變化起伏較大的地方，測點密度相應增加。

④測前、測后嚴格檢查各控制點的坐標，并仔細檢查RTK點校準的H殘差和V殘差值，看其數(shù)據(jù)是否在限差允許的范圍內。

⑤測深時，測船應勻速行駛，不能過快，否則可能影響測深精度；在風浪引起測船顛簸造成回波線起伏變化達0.3m應停止測深作業(yè)。

3.3.4 數(shù)據(jù)后處理

測量結束后，將所采集數(shù)據(jù)進行后處理。包括水深取樣、綜合改正輸出、數(shù)據(jù)合并等，最后通過數(shù)據(jù)格式轉換生成所需.DAT文件（表2）。

表2 水深數(shù)據(jù)后處理示意表

將處理好的DAT數(shù)據(jù)展到CASS7.0成圖軟件上，并繪制水下地形圖(圖2)。

3.3.5 通過蚌埠新港碼頭水下地形測量實例表明，利用GPS-RTK和數(shù)字測深儀組合系統(tǒng)對水下地形進行測量具有諸多傳統(tǒng)測量方法無法比擬的優(yōu)勢：

①GPS RTK實時動態(tài)功能，實現(xiàn)了淮河河道水下地形測繪的自動化、數(shù)字化和系統(tǒng)化。由于GPS不受晝夜、天氣等環(huán)境的影響，可以全天候進行測量，能夠滿足淮河防汛及險工險段急需測量要求，避免延誤測量時機。

②自動化程度高，操作者勞動強度小；從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和地形圖的生成，可實現(xiàn)自動化，與傳統(tǒng)的測量方法相比，大大降低了勞動者的強度。

③GPS RTK+數(shù)字測深儀具有自動導航功能，及時的顯示出測船所在的位置與斷面的偏離距，可以使航向得到及時的調整。

④GPS RTK作業(yè)有著極高的精度，觀測速度快，平面定位方便，非常適合于大規(guī)模的水下地形測量。

⑤運用GPS RTK技術測量得到的三維數(shù)據(jù)形成了相應的電子文件，這些數(shù)據(jù)便于保存和方便其他工程或建立工程管理數(shù)據(jù)庫使用。也為港口水下工程施工提供了理想的、精確的數(shù)據(jù)源。

3.4結論

河道水下地形測量一直是比較難以解決的問題，傳統(tǒng)方法費時費力，受外界因數(shù)影響較大，精度得不到保障。而GPS-RTK結合數(shù)字測深儀很好滴解決了這個問題；改變了傳統(tǒng)的水上測量作業(yè)模式，徹底實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集至最后成圖的高度自動化，大大提高了勞動效率，為即將開展的淮河大斷面測量提供了參照。

參考文獻:

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[3]王建.RTK GPS技術在水深測量中的應用初探[J].2003（2）：26～28.

[4]閆新.GPS RTK技術在水下地形圖測量中的應用[J].，2008

作者簡介：陳祥（1985-），男，江蘇泗洪人，現(xiàn)就職于安徽省淮河河道管理局測繪院，初級工程師，學士學位，主要從事工程測量。