基于GPS-RTK與測深儀在水利測量中的應用

王春林 吳大國 彭建和 李書群

基于GPS-RTK與測深儀在水利測量中的應用

王春林1，2吳大國1，2彭建和1，2李書群3

本文以合肥市某河道治理為例，主要針對河道水下測量進行分析，對河道進行河底高程的測量。經過成果精度分析，將GPS-RTK結合測深儀運用于水下測量項目中，不僅滿足項目實際需要，極大地降低作業勞動強度，提高生產效率，還為其他測量項目提供成功案例，服務于城市基礎測量。

一、GPS-RTK與測深測量技術

1.GPS-RTK測量技術

GPS-RTK測量技術是一種實時動態差分定位技術。RTK是建立在對空接收衛星信號的基礎上，采用偽距測量模式或者載波相位測量模式，以距流動站一定距離范圍內，架設基準站不間斷實時接收衛星信號，并將實時差分數據通過電臺或者GPRS網絡傳輸給流動站，使流動站能夠準確定位。由于此技術原理是基于默認基準站上空電離層等模型與流動站上空一致，擁有相同的差分改正模型，故使用此項技術需要基準站距離流動站不能太遠，以免產生大的誤差。GPS-RTK測量系統主要包括基準站接收機、電臺、移動站接收機。由于新技術的發展，RTK作業也由單個基準站向網絡RTK方向伸展。目前，全國各省市相繼建立了各自的CORS（連續運行參考站）系統，使得作業范圍大大增加。考慮到本文案例中作業范圍較小，故直接使用傳統RTK作業模式。

2.測深儀測量技術

測深系統主要的組成部分包括工控電腦、水深采集軟件、測深儀。測深儀分為單頻和雙頻兩種。測深系統為了能夠使換能器產生的蜂鳴噪音得以降低，具有變頻功能，還能夠使回聲強度增強。有些測深系統能夠進行斷面設定，其測量可以沿指定斷面航線來進行，這主要是由于這些測深系統具有導航測深功能。由于水利工程地形看不見起伏，不像陸上地形測量可以選擇地形特征點進行測繪，只能用測深線法或散點法均勻地布設一些測點。所以一般根據任務書的要求和測區實際情況，設計合理的測量航線。航線設計應注意幾點：

①測線間距。在計劃測線間距時，要考慮避免出現空白和重疊，關鍵的區域要加密測線。

②測線方向。選擇合理的方向能精確地繪出等深線。測線方向應當盡可能垂直于預計的等深線。

船臺（流動站）要固定好GPS衛星接收天線、無線電接收天線和測深儀換能器，連接好測深儀、GPS和計算機之間的連線，風浪大的區域要使用波浪補償儀消除縱橫搖的影響。在測深軟件中設置好儀器端口，輸入正確的投影參數，正確驅動換能器和GPS。

二、GPS-RTK結合測深儀測量原理

GPS-RTK結合測深儀在河道水下測量定位點的坐標與高程，在測深儀換能器的正上方安裝GPS-RTK流動站的天線，在測量過程中保證GPS天線中心與測深儀測量中心在一條鉛垂線上，保證測量的點位和測深儀測量的水下點位在同一鉛垂線上。在測量過程中，對換能器底部坐標、高程用GPS測定時，定位點的水深能夠通過測深儀測定出來，水下定位點的高程就是用GPS測量的高程與測深儀測量的水深之差，換能器的坐標也就是定位點的坐標。在RTK作業模式下GPS可以實時獲取待測點位的坐標高程，定位精度可達到厘米級。通過測深軟件來控制測深儀的定位時間與GPS的定位時間的延遲，控制GPS數據采集與測深儀測深的軟件應該裝在計算機上，從而使GPS數據采集與測深儀測深的同步能夠得到控制。在測量過程中，測得的數據主要是通過工控電腦顯示在工控電腦顯示器上，采集數據的稀疏程度可以通過工控電腦來判別，并且導航還可以根據相應的軟件來進行，從而使測量數據在測區范圍內得以保障。測深軟件會實時顯示測量路線以及船體的航向，以便隨時做出調整。

三、GPS結合測深儀實施水下測量

本文案例采用兩臺IRTK2型GPS接收機和一臺HD310測深儀，一臺GPS接收機作為基準站，一臺GPS流動站和一臺測深儀集成在一起綁定在船體周邊。

1.GPS坐標參數轉換

GPS測得的坐標為WGS-84坐標，而本文案例河道所采用的坐標為北京54坐標，因此需進行參數轉換。由于本次河道范圍較小，總長約3km，故采用四參數轉換。首先，在河道上游和下游端，選取3個已知點，分別為S1、S2和S3，點號坐標見表1。

然后，在河道中間位置選取某個高點（無需架設在已知點上），架設基準站，并設置好相應基準站頻道鏈接。安裝好RTK流動站,根據基準站信號頻道，設置好相應鏈接，接收基準站發射的差分信號，如解為固定解，則說明基準站已成功發射差分信號，流動站也成功接收差分信號。

最后，在S1和S2已知點上，架設流動站，對接收的衛星數據進行平滑處理，得到S1點和S2點的WGS-84坐標，并將S1點和S2點的WGS-84坐標和北京54坐標根據相應數學模型，進行四參數轉換，得到已知點的四參數。其中，尺度因子需達到0.9999 或1.000級別，才說明此參數精度合格，否則需重新采集點位數據進行參數轉換。將轉換后的參數輸入到流動站接收機中，并對S3點進行校核，校核后即可使用流動站進行坐標測量，坐標系即為項目需求坐標系。

2.GPS結合測深儀測量

將RTK流動站與測深儀集成在一起，并綁定在船體的周邊，進行高程換算后，流動站手簿采集的數據即為河底高程數據。

本文案例測深軟件采用“Haida海洋測量軟件”。測深軟件自動同步定位、導航和采集水深。為了消除工控電腦和GPS時鐘誤差，測深軟件的定位、導航和采集水深的時間統一為GPS的時鐘時間。流動站天線到水面高和天線偏差每天作業前均用小鋼尺精確量取，并設定到測深軟件（在測深儀的隨行電腦中）和RTK手簿中，同時岸上用架設在已知點上的全站儀測定水面高程，與測深軟件測定的水面高和RTK測定的水面高進行比對，再用測尺測定水深，與測深儀測定的水深進行比對，所有比對結果一致后才開始作業。水下數據采集為每10s一組，然后內業進行數據篩選。為了保證水面高程測定的精度和可靠性，每天水下測量的同時在岸邊進行全站儀直接驗潮，由于此次河道為城市內河，范圍較小，兩端均有攔水壩，水面高程受潮汐影響較小，因此在水下作業開始前5min進行測定一次水面高程，到水下作業結束后再測定一次高程，中間過程無需測定。水下測量數據采集的數據轉換采用“Haida海洋測量軟件”轉換成“南方CASS成圖系統”軟件的數據格式，進行數字化成圖。具體成果見圖1。

3.RTK作業精度測試

RTK作業精度檢測采用已知點檢核。已知點檢核分別對測區內的3個已知控制點進行了檢測（見表2），經統計：

經過系統對3個已知點檢核，測試點均勻分布在基準站周邊范圍內，平面精度滿足線路測量精度要求，說明結果有較好的內符合精度和較好的穩定性。由于此次水下測量對于高程精度要求在厘米級即可，故運用RTK技術進行河底坐標的測量，符合項目需求。

四、GPS結合測深儀應用總結

表1 已知點坐標表

表2 已知點檢核表

經過此次水利測量項目驗證，結合中小城市實際條件運用GPS-RTK結合測深儀測量模式具有明顯優勢。

1.優缺點比較

傳統的水下測量模式由傳統的經緯儀或者全站儀，配上水準儀和測繩，其缺點不言而喻，具有工作效率低、成果精度低和工作成本高等缺點。

GPS-RTK結合測深儀測量模式具有以下優點：

（1）具有很高的平面定位精度和較高的高程定位精度。其中，平面定位精度可達毫米級，高程定位精度可達厘米級，在水利測量中，符合大部分的工程項目需求（除了少數要求極高精度的水利工程項目）。

具有較高的工作效率。傳統的水下測量需要大量的人力、物力進行工作，而GPS結合測深儀測量模式完成整套數據采集工作僅需要幾個人即可完成，并且勞動強度遠遠低于傳統水下測量。

水面變化但是水下地形點高程是不受影響的，其獲取可以通過設置直接實現。而傳統的水下測量模式隨著水面變化期高程也會變化，這樣處理起來比較困難，而且也影響測量精度。

GPS結合測深儀測量模式不受環境和時間限制，可以實現全天候的作業。

2.注意事項

圖1 水下測量數字化成果圖

由于測深儀是綁定在船體周邊，這就要求在航行過程中，盡量保證船體的穩定性，如在河流流速較緩、河道較窄的河流中，宜采用較為輕便的船只；如在河流流速較快，河道較寬的河流中，宜采用自身重量較大的船只。

在數據采集過程中，要定期對GPS流動站進行校核，確保測量數據的準確性。對測深儀測得的水深數據，也需使用測繩定期進行校核，確保水深數據的準確性。

基準站架設位置要求位置較高，但不宜遠離測區，衛星接收機上方以及15°仰角范圍內應無遮擋，基準站遠離高壓電線與通訊塔，以保證船上的流動站能夠實時得到固定解。

在數據采集的過程中，在工控電腦上必須設置只有在RTK為固定解時，并且測深儀數據顯示正常的情況下，才能對數據進行存儲。

五、結語

實踐證明，運用GPS-RTK結合測深儀測量模式可以很好地完成大部分水利工程項目。不僅提高了工作效率，降低了工作成本，還極大地減輕了測量人員的勞動強度，節約了人力、物力和財力，使工作人員從繁重的重復勞動中解脫出來。由于此次工程項目工期緊，模式應用還有諸多不足，如未考慮不同河湖、不同水體環境等，在以后的測試應用中，將逐一彌補不足，使此種測量模式日趨完善

（作者單位：1安徽省·水利部淮委水利科學研究院 233000 2安徽省建筑工程質量監督檢測站 230000 3.合肥學院 230000）

（專欄編輯：張 婷）