水下地形GPS測量實施辦法

趙瀛舟

（1.中國長江三峽集團公司 測量中心，湖北 宜昌 443133）

水下地形GPS測量實施辦法

趙瀛舟1

（1.中國長江三峽集團公司 測量中心，湖北 宜昌 443133）

介紹了利用GPS手段進行水下地形測量的方法，對GPS的技術發(fā)展和測深儀的測深原理及現場測量方法、導航定位、測量數據后處理等進行了闡述，該測繪技術將在我國的水電工程施工中發(fā)揮非常重要的作用。

水下地形；GPS；測深儀；測量

水下地形圖是以高程和水下等高線表示水下地貌變化的，水下地形測量需在水上進行動態(tài)定位和測深，作業(yè)比陸上地形測量困難。水下地形圖不僅是水利水電工程勘測設計的重要基礎資料，還在監(jiān)測橋梁安全、觀測水庫淤積、防洪抗旱、河道治理等方面發(fā)揮著作用。三峽工程中，水下地形圖在大江截流、圍堰拆除、航道清淤等工作中有著廣泛的使用。

1 GPS水下地形定位方法

1.1 GPS RTK定位方法

根據測站的運動狀態(tài)，GPS定位方法分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，動態(tài)GPS大多采用GPS RTK定位。具體工作時，在一個已知坐標點上設置基準站，基準站對在視場的GPS衛(wèi)星（一般需要4顆以上）進行連續(xù)跟蹤測量，并按規(guī)定的時間間隔，實時地把載波相位觀測值及測量坐標信息等數據通過無線數據鏈傳送給流動站，流動站利用收到的信息和采集的GPS觀測值進行求差解算，組成差分觀測值進行實時處理，消除或減小星歷誤差、星鐘誤差、大氣層延遲誤差等公共誤差，從而獲得高精度的位置坐標。

1）GPS RTK基準站的組成。基準站由GPS接收機、電臺及發(fā)射天線、直流電源等組成（見圖1）。基準站GPS接收機一般安置在已知點上，將GPS接收機與GPS控制面板、GPS電源及電臺連接，并對GPS測量模式進行選擇，將已知點坐標輸入儀器，完成GPS基準站的配置后，由直流電源給電臺提供電源。

2）GPS RTK流動站的組成。流動站包括GPS接收機和天線兩部分，將GPS接收機與GPS控制面板、GPS電源、天線和筆記本電腦連接，選擇測量模式，啟動儀器。當接收到衛(wèi)星信號、電臺信號后，測量數據成固定解時，才可以開始工作。

圖1 GPS RTK基準站的組成

1.2 CORS系統定位方法

CORS系統是由多個GPS參考站組成的，主要通過Internet和無線通信網絡向系統覆蓋的服務區(qū)內的用戶提供參考站坐標和參考站GPS觀測數據，用戶通過Internet下載CORS若干參考站數據，進行精密定位，也可以接收數據播發(fā)站對載波相位觀測數據進行實時精密定位。建立CORS系統主要依靠GPS技術、數據通信技術和計算機技術。CORS技術在用途上可以分成單基站CORS和多基站CORS。

1） 單基站CORS系統由GPS參考站(基站)、數據服務器、網絡通信模塊（Internet）和流動站組成。GPS參考站(基站)與數據服務器之間用電纜連接，數據服務器登錄Internet后，基準站可以每天24 h連續(xù)不斷地運行。以南方CORS為例，在基站25 km范圍內，只要能夠接收到衛(wèi)星信號、手機信號的地方，移動站就可以進行高精度測量。單基站的組成如圖2所示。

2）多基站CORS是指分布在一定區(qū)域內的多臺連續(xù)觀測站，每個觀測站都是1個單基站，同時每1個單基站還有1個中央控制計算機。由控制軟件自動計算流動站與基站點的距離，將距離近的基準站的基站差分數據發(fā)送給流動站。湖北省宜昌市已建設了以宜昌主城區(qū)、秭歸、長陽、遠安和枝江5個連續(xù)運行參考站多基站CORS系統，平均站間距約42 km，覆蓋面積約1萬多km2。

圖2 單基站的組成

2 回聲測深儀的介紹

2.1 回聲測深原理

回聲測深儀由發(fā)射機、接收機、發(fā)射換能器、接收換能器、顯示設備和電源組成。水深測量經歷了測繩重錘測量（點測量）、單頻單波束測深（點測量）、雙頻單波束測深（點測量）、多波束測深（面測量）、機載激光測深（面測量）幾個階段。回聲測深原理是利用安裝在測量船下的發(fā)射機換能器，垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C傳播到水底，經反射或散射返回，被接收機換能器接收。設經歷時間為t，換能器的吃水深度D，則換能器表面至水底的距離，即水深H為：

2.2 回聲測深作業(yè)過程

1）回聲測深儀的安裝連接。測深儀的聲系統一般安裝在船舷側，船舶航行時產生的氣泡和漩渦，會嚴重影響測深能力，因此聲系統必須安裝在沒有進出水管、船殼附近水流平緩、不發(fā)生擾動影響的部位，一般選擇在距船艏1/3～2/5處。換能器放入水中的深度在連接桿長度允許的前提下，盡可能深一些，大致在0.5～1.2 m范圍內。換能器導流罩“鈍”的一頭朝船艏，“尖”的一頭朝船尾。現場測量時，測深儀的連接設備有換能器、12 V直流電源、電腦等。

2）回聲測深儀設置。測深儀連接好后，量取吃水線（換能器面到水面的距離）和淡水的溫度，根據水溫參考表，獲得聲速值進行設置。啟動測深儀，選擇測深范圍的倍乘開關至“*1”檔時，量程開關各檔面板所標的數據即為實際的測深范圍。通過吃水、聲速按鈕對吃水、聲速進行設置，調整并校驗設置零點位置。測深儀設置好后，所測水深一般應使用測繩重錘測量進行復核，滿足要求后才能進行測量。

3 現場測量

3.1 坐標系的轉換

在GPS測量中，GPS數據通常采用WGS84坐標系統，利用RTK技術進行GPS測量時，首先需要轉換成地方獨立坐標系統，這是項非常重要的工作，轉換參數精度的高低直接影響測量成果的精度。坐標轉換時要注意，求解坐標轉換參數所使用的已知控制點（通常稱為基準點）的精度、密度及分布狀況對坐標轉換參數的求解質量有著直接影響。因此，所選定的基準點要求精度要高，并且應均勻分布。基準點的數量視測區(qū)的大小一般取3～6個為宜。

3.2 測量前的準備過程

3.2.1 工程項目的建立及計劃線的繪制

進行水下地形測量時，首先需要使用導航軟件進行導航定向。

1）建立工程：輸入文件名稱、保存路徑、設置坐標系參數。

2）布設計劃線：根據測量范圍和水流流向，進行計劃線的布設。計劃線可以在CAD中畫好，打碎后導入軟件中，也可以在軟件中進行設置。該軟件的布設方式有全屏布線、區(qū)域布線、航道布線。一般采用航道布線，輸入航行控制點、航道間距、航道長度，就可以繪制出計劃線。

3.2.2 通信參數的配置

1）GPS通信參數配置時需要注意設備型號、設備端口常數要和儀器的設置一致，其配置界面見圖3。

圖3 GPS通信參數配置界面

2）測深儀參數配置不僅要求設備型號、設備端口常數和儀器的設置一樣，還需要注意在進行水下地形測量時，一定要選擇“使用”，否則，沒有水深記錄數據。GPS數據的采集，GPS值最好是固定解，有困難時，可以使用差分解（見圖4）。

圖4 測深儀通信參數的配置

3.3 水下地形測量過程

進行水下地形測量時，首先連接主要設備，然后進行測量。1）水深檢測，利用測深錘和測量水深進行對比。2）平面位置檢測，利用全站儀測量船只固定時GPS接收器的坐標，并進行對比。

3）進行測量時，首先進入測量界面，按界面顯示的船只位置，布設計劃線路，然后選定計劃線路進行測量，最好每條測線保存1個文件，并讀取測量時的水位標尺和觀測時間。測量時，界面會顯示當時的很多信息，需要隨時注意查看。

3.4 后期處理及繪圖

根據測量斷面，打開文件，通過采集水深取樣界面，可以逐條檢查測量斷面，將突變的數值進行處理。通過觀測測量時的水深，對水下高程進行改正并導出測量數據。利用繪圖軟件進行水下地形圖的繪制，等深線用虛線表示。

4 技術拓展

GPS RTK、測深儀和導航軟件進行水下地形測量技術已經非常成熟。隨著CORS技術的發(fā)展，測量范圍越來越廣，水下地形導航測量原理同樣適用于陸地測量，我們對此進行了初探和實驗。在比較開闊的路線測量中，可以使用車載GPS測量，由于路面比較平坦，車速均勻，精度高于水下測量成果。基準站采用CORS單基站，在車頂布置GPS接收機（圖5），可以進行三峽壩區(qū)及專用公路整個施工區(qū)的測量工作。作業(yè)前，用水準儀準確測定路面至GPS接收機的距離，用來設置天線高，根據測量水下地形測量方法和注意事項，可得到理想的測量成果。此技術同樣適用于大范圍、視野開闊、比較平坦地區(qū)的地形測量，只要把GPS接收機的載體進行更換，使用更方便于工作現場的交通工具就可以極大地提高工作效率。

圖5 車載GPS測量圖

5 結 語

經過多年的測量實踐，GPS測量水下地形確實能極大地提高工作效率。隨著我國“北斗”導航系統服務的提供，GPS測量技術將在水電工程施工中發(fā)揮非常重要的作用。

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表1 變化檢測結果

其中，檢測概率為5 318/6 006=0.885 4；虛警率為368/31 092=0.011 8；漏警率為688/6 006=0.114 6；檢測誤差為0.011 8+0.114 6=0.124 6；Kappa系數為0.924 1。

3 結 語

從本文實驗得到的變化檢測結果來看，基于快速獨立分量分析法的變化檢測具有較高精度。快速獨立分量分析可以看作是PCA的一種擴展，它將數據變換到相互獨立的方向上，使經過變換所得到的各個分量之間不僅正交而且相互獨立，是一種處理高階統計的數據分析方法，能夠消除影像間的高階相關，適合遙感圖像的變化檢測。

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第一作者簡介：孫喜梅，工程師，研究方向為遙感應用技術。

P229

B

1672-4623（2015）04-0108-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.039

趙瀛舟，工程師，主要從事工程測量技術的研究和應用。

2013-08-23。