GNSS定位技術在水下測繪中的應用

李曉晨，劉文國，董溫榮

（山東省水利勘測設計院，山東濟南 250014）

GNSS定位技術在水下測繪中的應用

李曉晨，劉文國，董溫榮

（山東省水利勘測設計院，山東濟南 250014）

隨著GNSS測繪技術的發展，水下測繪的成熟模式為載波相位動態實時差分技術與測深儀組合。本文闡述了這種模式在水下測繪的應用及工作原理，提出了工作過程中的一些經驗和體會。

GNSS；RTK；水下測繪；測深儀

濰坊北部沿海地區瀕臨渤海萊州灣，資源豐富。風暴潮是濰坊市北部沿海成災最大的自然災害，使沿海地區漁業、鹽化等生產遭受嚴重經濟損失。沿海防護堤工程的建設以防御沿海風暴潮災害為主要目的，具備防潮、防浪及防沙的功能，兼具汛期行洪排澇、控制海域污染、生態環境恢復等功能，是保證濰坊市“三北”地區開發和濱海新城建設的重要屏障。人工島及海河路工程位于沿海防護堤以南，主要工程內容包括濰坊白浪河防潮閘以南、龍震大壩以北的白浪河河道清淤疏浚，吹填規劃人工島及東堤壩（規劃海河路）、建設沿線橋閘工程等。該項目位于濰坊市濱海經濟開發區境內，測量目的是為濰坊濱海旅游度假區人工島及海河路工程初步設計提供必要的基礎測繪成果。測區80%的面積為水下。采用RTK定位技術配合測深儀進行水下測繪，可大大提高工作效率。

1 測區控制網建立

經現場查勘，測區附近現有山東省建立的全球導航衛星系統連續運行參考網站站點，坐標系統為1980西安坐標系，可以作為本次測量聯測點和起算點使用。并進行大地水準面精化，獲得大地正常高系統高程，高程系采用1985國家高程基準。中央經線為東經119°10′。本次首級GPS衛星定位測量采用2臺Leica SR530(Rush)型雙頻GNSS衛星接收機和3臺中海達V8GNSS-R4聯合施測。作業方式采用同步靜態觀測。為求定GNSS點在某一參考坐標系中坐標，對附近山東省連續運行參考站網點進行聯測，聯測的總點數為4點。采取整體布網，整體數據處理的方式。利用LGO平差軟件對靜態測量原始數據進行平差，將CORS求得的數據作為起算數據，求得中央經線為120°的6°帶坐標成果。最弱點點位中誤差為±0.14 cm；換帶求得中央經線為119°10′的1980西安坐標系平面坐標成果并求得坐標系統間的轉換參數。

根據《全球定位系統（GPS）測量規范》要求，GPS控制網測量采用中誤差作為精度的技術指標，以2倍中誤差作為極限誤差，且滿足D級精度要求。表1為大地水準面精化成果：

表1 大地水準面精化成果表

2 控制網的各項技術指標及精度統計

基線解算是利用網中觀測時間較長的測站單點定位，獲得WGS-84坐標；以此為起算點，采用雙差固定解模式，分別解算其他各點。然后對解算的基線向量進行預處理，統計同步環閉合差、復測基線較差和異步環閉合差。在WGS-84坐標系中進行三維無約束平差，剔除含粗差基線，檢查內符合精度，計算基線向量改正數，統計基線的絕對誤差和相對誤差，計算各點三維坐標、大地經緯度坐標和平面坐標，統計點位中誤差。利用三維無約束平差后的數據，在1980西安坐標系中進行二維約束平差，計算各點二維坐標，統計點位中誤差、距離中誤差、距離相對中誤差。

表2 復測基線長度較差統計

3 水下地形測量

水下地形測量的作業系統主要由GNSS接收機、數字化測深儀、數據通信鏈和便攜式計算機及相關軟件等組成。測量作業分3步來進行，即測前的準備、外業的數據采集測量作業和數據的后處理形成成果輸出。使用Leica SR530(Rush)型雙頻GNSS衛星接收機及南方HD-27型數字回聲測深儀進行水深測量。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不到1 s。基準站和移動站必須要保持4顆以上相同衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結果；所以有時偶爾RTK沒有固定解也是很正常的。

外業操作方法：1）水下地形測量基本在無風的天氣進行，采用斷面法施測，先在已有陸地地形圖的基礎上，預先按技術要求做好斷面計劃線，計劃線根據海面情況布置成與航道方向大致成垂直的方向。斷面間距為100 m。2）將GNSS RTK儀器安裝在測深儀探頭上，船上GNSS RTK儀器與測深儀平面位置一致，并保證測深儀垂直于水面。3）水下地形采集密度以能顯示出水下地形特征為原則。水下地形點點距為圖上2~5 cm，實際距離為40~100 m。水下地形變化復雜區域測深儀采集點距適當縮短以反映地形特征，滿足水下地形等高線的勾繪。對于淺水或船不能到達的區域采取測量人員穿下水褲涉水測量。4）水下地形測量沿作業邊界往外擴測100 m，以滿足要求。

水深測量期間進行測深檢查線測量，檢查線貫穿整個測區，用以檢查不同日期、不同時間、不同潮時所測斷面測深值的正確性，從而保證水深測量成果質量。測深檢查線垂直于主測深線方向布設，其總長度大于主測深線的5%；對檢查線與水深測量斷面的水深重合點進行數據統計，具體結果見表3。

表3 測深精度統計表

由表2所列數據計算出測深誤差為±0.07 m，符合規范要求。

4 結語

在采用了GNSS實時定位技術后，測深儀換能器可以實時獲得高精度的三維坐標，再配姿態糾正儀，使得水下高程及時高效的獲取。對于大面積水域和海域構建水下地形地貌和DEM獲取是一種極為實用、穩健和經濟的方式。相信隨著GNSS技術、激光掃描技術和無人機技術的發展，水下測繪技術能有更好的進步。

[1]高成發，趙毅.差分GPS水深測量系統在港口工程中的應用[J].測繪工程，2004.

[2]孔祥元，梅是義.控制測量學（第二版）[M].武漢大學出版社，1996.

[3]徐紹銓，等.GPS測量原理及應用[M].武漢大學出版社，2004.

（責任編輯 張玉燕）

P228

B

1009-6159（2016）-12-0008-02

2016-05-17

李曉晨（1979—），男，工程師