淺談GPS在水下地形測量中的應用

歐千

摘要：文章介紹了利用GPS-RTK技術的與數(shù)字測深儀聯(lián)合進行水下地形測量的工作原理，以及其在疏浚測量、水下淤積測量等具體應用。

關鍵詞：GPS-RTK；回聲測深儀；水下地形測量

在水運工程中，水下地形測繪具有重要的意義。近幾年來， 隨著GPS載波相位差分技術（ RTK）的發(fā)展， GPS 技術越來越成熟， 已被廣泛應用到數(shù)字化測圖中。有時候水運工程建設初期， 由于所處測區(qū)多為山地， 通視困難， 地形復雜給傳統(tǒng)野外測繪工作帶來了一定的困難。利用動態(tài)GPS定位技術的優(yōu)越性， 測圖速度快和精度高， 能消除累積誤差， 操作簡便， 用人少等優(yōu)勢取代了原有的平板儀測圖及全站儀測圖。工作效率和經(jīng)濟效益明顯得到大幅度提高。

1、工作原理：

水下地形測量中，測深儀的工作原理是利用超聲波穿透介質并在不同介質表面會產生反射的現(xiàn)象，利用超聲波換能器（探頭）發(fā)射超聲波，測出發(fā)射波和反射波之間的時間差來進行測量的。目前我國大量使用的是單波束回聲測深儀，單波束回聲儀每次只能發(fā)射一束聲波，只能得到一個水深數(shù)據(jù)點，通過連續(xù)測量、記錄，最后以點連線。另外，如利用單波束回聲儀測量一個地區(qū)的水下地形，須先根據(jù)測圖比例和規(guī)范要求，預先確定測點和測線的間距，再用測量船逐線逐點進行連續(xù)測量，并通過內業(yè)處理和繪制水深圖。然后還可根據(jù)水深圖來繪制水下地形等深線圖或斷面圖。

如果將測深儀與GPS技術相結合，將GPS流動站的天線與測深儀的換能器安置在同一平面位置， 同時布置在一條小船上， 保證RTK的數(shù)據(jù)與測深儀數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)絇C， 作業(yè)時流動站根據(jù)基準站通過電臺發(fā)送的改正數(shù)實時改正自身的測量值， 獲得點位的厘米級精度的平面坐標并實時傳送到PC， 同時數(shù)字測深儀獲取該平面位置處的水深數(shù)據(jù)發(fā)送到PC， PC 根據(jù)觀測的水面高程計算出該平面位置處水下點的高程坐標，與RTK獲得的平面坐標一起組成水下點的三維坐標。然后將數(shù)據(jù)導入數(shù)字成圖軟件就可以編輯生成需要的水下地形圖。

2. rtk差分模式

rtk（real-time kinematic）作業(yè)使用的儀器為高精度的rtk型gps接收機。其通常是通過在已知點上自設基站，通過無線電臺傳送差分信號來實現(xiàn)，其測量精度相對于起算點可以達到厘米級（須鎖定固定解，并靜止幾秒鐘），應用十分廣泛。

影響rtk定位精度的主要原因為流動站與基準站之間的距離，但由于自設基站一般會選擇較近的已知點，精度一般都可以滿足水上測量的需要。rtk模式的缺點為差分信號的覆蓋范圍較小，且信號容易受流動站附近的樹木建筑物等的遮擋，在實際應用中有一定的限制。近幾年發(fā)展起來的手機卡模式，利用中國移動網(wǎng)絡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無線電臺來傳遞差分信號，解決了一部分的信號傳遞問題。因為移動網(wǎng)絡帶來的延時等問題，測量精度有一定的降低，根據(jù)本公司工程應用中的經(jīng)驗，一般均在10cm以內，對于水下測量的影響很小。

rtk模式不僅能夠提供平面定位，同時還可以實時測量水面高，無需驗潮進行水位改正，在15km范圍內，高程精度一般可達到10cm以內，在近岸有潮汐的水域作業(yè)具有很大的優(yōu)勢。在實際應用中發(fā)現(xiàn)，由于rtk的高精度特性，對測量條件的要求也比較高，在有風浪的水面作業(yè)或船速較高時，比較容易出現(xiàn)信號失鎖的情況。

3 .誤差來源與數(shù)據(jù)處理

3.1誤差來源

水下地形測量的精度包括平面的定位精度和水下地形點的高程測量精度。不考慮起始點誤差的影響，測量精度主要取決于以下3個方面。

1）高程轉換精度2）測量精度3）其他因素的影響：船體的搖擺、采樣速率、同步時差及RTK 高程的可靠性等因素造成的誤差的影響， 這些誤差遠遠大于RTK 定位誤差。

3.2數(shù)據(jù)處理

1）船體搖擺姿態(tài)的修正

船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進行修正， 修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)， 通過專用的測量軟件接入進行修正。

2）采樣速率和延遲造成的誤差

定位數(shù)據(jù)的定位時刻和水深數(shù)據(jù)的測量時刻的時間差造成定位延遲。對于這項誤差可以在延遲校正中加以修正， 修正量可在斜坡上往返測量結果計算得到， 也可以采用以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)

3）RTK 高程可靠性的問題

RTK 高程用于測量水深， 其可信度問題是倍受關注的問題。在選擇設備時， 應盡量選擇大量程、高靈敏度的測深儀。此在實際測量工作中應視任務性質的不同而采用不同的測深設備為了確保作業(yè)無誤， 可從采集的數(shù)據(jù)中提取高程信息繪制水位曲線（ 由專用軟件自動完成） 。根據(jù)曲線的圓滑程度來分析RT K 高程有沒有產生個別跳點， 然后使用圓滑修正的方法來改善個別錯誤的點。

4、GPS在水下地形測量中應用：

4、1、疏浚測量：

疏浚測量應采用有模擬記錄的單波束回聲測深儀或多波束測深系統(tǒng)，在淺水區(qū)宜采用測深桿或測深錘；在水底樹林和雜草叢生水域不宜使用回聲測深儀；淤泥質回淤嚴重水域應進行適航水深測量。測深前測量船應與水位站和定位站校對時間。水下地形測量，應根據(jù)天氣、風浪、潮汐等情況，合理安排時間，當風浪較大，氣候惡劣，影響人身、儀器安全時，應停止測量。設置好儀器及坐標系統(tǒng)轉換參數(shù)之后，應對測量的數(shù)據(jù)進行校核，在校核無誤后方可進行測量。GPS流動站接收機天線應與換能器在同一垂線上，并保證GPS觀測衛(wèi)星信號的質量指標，如衛(wèi)星數(shù)、高度角、PDOP值等。在確定水下地形測圖規(guī)格時，應在水深測量的專用軟件中，先確定水下地形圖的范圍與比例尺，以及坐標系統(tǒng)和圖幅等。設定測量斷面線時，應將測量船導航至斷面位置，再按指定的時間或者間距進行測點的定位與測深，并實時修正測量船的航向。

4、2、淤積測量：

淤積測量可用GPS 的GO AND STOP動態(tài)測方法定位， 回聲測深儀測量水深確定水庫庫底點的坐標。選擇一靠近待測測線的固定站安置固定接收機，在距其5m 左右選擇一交換天線點安置流動接收機。沿航線方向每隔一定的距離（如100m） 或者根據(jù)水深的變化選擇測量點每個點上停船30-60s，接收機記錄2-4個歷元數(shù)據(jù)， 同時記錄水深數(shù)據(jù)。到達對岸時， 在已有的固定點上安置流動接收機， 記錄幾個歷元數(shù)據(jù)。此方法即使在4-5 級風的情況下，也能取得良好的結果。

5、結語：

GPS技術的應用是無可限量的， 與測深儀結合的方法， 已經(jīng)在海上及大型河流的水下地形測量中得到應用，與傳統(tǒng)的測量方式相比， 具有較大的優(yōu)勢，特別是在面積較大， 水下地形復雜， 水深較大的水域， 水下地形測量簡單、方便、快速、高效、可以全天候作業(yè)、同時大大提高了水深的測量精度。隨著天然氣和石油長輸管道工程的大型、特大型河流穿越的出現(xiàn)， 其在石油、天然氣工程中也將得到廣泛的應用。但受GPS 衛(wèi)星信號的影響， 目前利用GPSRTK 配合測深儀進行水下地形測量還有一定的局限性， 在遮擋嚴重的地區(qū)如陡峭的峽谷、河道等地方還不能完全取代傳統(tǒng)的測量方法， 還必須結合全站儀進行測量。但隨著GPS RTK 技術的不斷發(fā)展， 利用GPS RTK 配合測深儀進行水下地形測量將有更加廣闊的前景。

參考文獻

1、 楊飛， 馬耀昌. GPS 在水下地形測量中的應用研究[ J] . 地理空間信息， 2006， 4（3） ： 20-22.

2、 劉永川，過靜君，程宏斌.GPS定位在水庫泥沙淤積測量中的應用[ J] . 水力發(fā)電， 1992， （9） ： 31-34.

3、 張偉.GPS技術在疏浚工程中的應用.