碼頭疏浚工程水下地形測量技術探討

王春茶

（福建船政交通職業學院道路工程系，福州350007）

碼頭疏浚工程水下地形測量技術探討

王春茶

（福建船政交通職業學院道路工程系，福州350007）

以海南碼頭疏浚工程的水下地形測量為研究對象，介紹了GPS－RTK的使用及應該注意的問題，給出了本工程水下地形測量的作業流程，分析了影響水下地形測量精度的幾種因素及相應對策，并通過本工程實際案例結果進行驗證。

GPS－RTK；水下地形測量；中海達；實際案例

1 工程概述

海南國電西南部電廠配套碼頭疏浚工程，分二期建設。本次工程先建設一期機組以及配套的海域工程。

南防波堤長1 292．6m，為斜坡式結構。內、外坡坡度均為1︰1．5，堤頭采用14t扭王字塊體護面；堤身采用12t、6t扭王字塊體護面。北防波堤總長1 429m，為斜坡堤結構。內、外坡坡度均為1︰1．5，堤頭采用14t扭王字塊體護面。防波堤典型斷面圖如圖1所示。

圖1 南防波堤典型結構斷面圖

本工程有港池、航道疏浚施工。根據設計資料，港池疏浚量約436萬m3，疏浚底標高－14．40m。回旋水域直徑456m，設計坡比1︰4。在施工之前需要先進行水下地形測量，利用GPS－RTK定位數據和測深儀測深數據，結合裝有成圖軟件的便攜式電腦， 實現數字化測圖，為挖泥船施工提供依據［1］。疏浚施工平面布置圖如圖2所示。

2 GPS－RTK的使用

2．1 RTK的使用步驟

1）架設基站、組裝移動站。

2）基準站設置。首先用手薄連接基準站接收機，（手薄開機，進入 Hi RTK道路版，選擇“2．0GPS”圖標，點擊連接GPS，連接，搜索，選中我們要連接的設備S／N：號碼→連接）連接好后GPS會有一聲“咚”的提示音。這時會自動跳到GPS連接后的界面，這時所有按鈕都變為藍色，點擊基準站設置，在跳出的界面里面的位置按鈕里面點擊平滑，等平滑10次以后點擊確定，在跳出的設置成功對話框中點擊“OK”，退出此界面，點擊斷開GPS接收機。

圖2 疏浚施工平面布置示意圖

3）連接移動站接受機。連接藍牙同上，連接好后，進入移動站設置：點擊數據鏈（數據鏈可以選擇內置電臺和內置網絡，內置網路即手機卡模式）；點擊“其他”按鈕設置差分模式：選中RTK，電文格式選中“SCMRX”，這時點擊確定，收到差分信號后單點會變為固定。這樣移動站設置成功。退出此界面。

4）新建項目。點擊圖標1項目按鈕→新建→輸入文件名稱打勾→在左上角點擊→項目信息→選擇坐標系統→在跳出的對話框里面更改投影下面的中央子午線，設為當地中央子午線；檢查“平面轉換”“橢球轉換”“高程擬合”在為求參數之前都選擇無→點擊“保存”。

5）參數計算。①首先進入“5測量”圖標，移動站在控制點上采集坐標，采集控制點時用∑／n按鈕采集，即：平滑（控制點最少2個）。采集控制點坐標→點擊測量里面最左上角“碎步點采集”按鈕→選擇控制點庫→點擊左下角“＋”號按鈕，輸入已知控制點坐標。突出測量界面，點擊 “3參數”，點擊左上角→坐標系統→參數計算，在跳出的對話框里面點擊添加→源點（已知點用GPS現場采集的坐標），下面目標點（次點對應的已知坐標）→保存（在這里我們不用輸入，可以直接調用，點擊“123”按鈕找到點名確定即可）。兩組點添加完成后點擊“解算”，在跳出的對話框里面檢查“旋轉和縮放”，旋轉是否接近0度，縮放是否接近1，若接近則點擊“應用”，再點擊“保存”，在跳出的對話框點擊“OK”，然后點擊打勾按鈕，在退出的界面點“插”按鈕退出?，F在就可以進行測量。②平面控制：各挖泥船、測量船均配備GPS接收機系統，接收岸臺發送的RTCM格式的差分GPS校正信號，實時動態顯示架設天線點處坐標，控制抓泥船方位，從而在測量導航軟件窗口中自動實時動態顯示當時船位，指揮抓泥船定位施工。③測量船配備自動測深成圖系統，由安裝了中海達GPS測量導航和成圖軟件的便攜式電腦自動同步收集、記錄GPS定位數據和測深儀測深數據，實現數字化測圖，可以迅速提供準確的水下地形測量成果，及時指導挖泥船施工。

2．2 RTK作業時應該注意的問題

2．2．1 有關基準站的問題

1）因為RTK技術的關鍵在于數據處理技術和數據傳輸技術，RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據（偽距觀測值，相位觀測值）及已知數據傳輸給流動站接收機。所以：①電臺天線要盡量高。②電源電量要充足，否則也將影響到作業距離。

2）設站時要限制最大衛星使用數，一般為8顆。如果太多，則影響作業距離；太少，則影響RTK初始化。

3）如果不是使用七參數，則在設置基準站時要使TransformTowg；ss4（轉換到WGS84坐標系）處于off（關閉）狀態。

4）如果使用七參數，則AX，AY，AZ都小于±100較好，否則重求。

5）在求轉換參數前，要使參數轉換和七參數關閉。

6）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1s。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。

2．2．2 有關流動站的問題

1）解的模式要使用RTKExtrap（外推）模式。2）數據鏈接收間隔要與基準站設置的發射間隔一致，都要為1。3）如果使用海洋測量軟件導航、定位，則：①記錄限制要為RTK固定解。②高程改正要在天線高里改正。4）差分天線要盡可能高。

3 水下地形測量

本工程水下高程測量使用RTK與測深儀（中海達HD－370）相結合進行測量。采用水尺校核。RTK提供實時三維坐標，數字測深儀提供同步水深，水尺效核潮位，確定目標測點高程。

3．1 測前的準備

1）求轉換參數。①將RTK基準站架設在已知點A上，設置好參考坐標系、投影參數、差分電文數據格式、發射間隔及最大衛星使用數，關閉轉換參數和七參數，輸入基準站坐標（該點的單點84坐標）后設置為基準站。②將GPS移動站架設在已知點B上，設置好參考坐標系、投影參數、差分電文數據格式、接收間隔，關閉轉換參數和七參數后，求得該點的固定解（84坐標）。③通過A、B兩點的84坐標及當地坐標，求得轉換參數。

2）建立任務，設置好坐標系、投影、一級變換及圖定義。

3）做計劃線，如果已經有了測量斷面就要重新布設，但可以根據需要進行加密。

3．2 外業的數據采集

1）基準站應架設在求轉換參數時架設的基準點上，且坐標不變。

2）將GPS接收機、數字化測深儀和便攜機等連接好后，打開電源。設置好記錄、定位儀和測深儀接口、接收機數據格式、測深儀配置、天線偏差改正及延遲校正。［2］

3）作業時，打開海洋測量軟件，根據施工要求預先繪畫出測量區域和斷面線，安裝并調試好GPS和測深儀；到實地作業時主要開啟GPS和海洋測量軟件，屏幕上的導航窗口就能實時顯示出測量船位置、航跡向和坐標，當接通相應的數字化測深儀時，水深顯示窗口就顯示出瞬時水深值，引導測量工作船沿待測斷面線航行，計算機自動采集數據并儲存。

3．3 水下泥面標高換算

基本原理：利用實時相位差分（RTK）實時測得GPS天線的三維坐標（x，y，h）結合由測深儀同步測得的換能器至海底的深度ΔH1，將由GPS測得的天線高h換算到同一水平面上的水下泥面標高H。換算公式

式中ΔH2為連接GPS天線與測深儀換能器的聯桿長度。

由于系統在測量過程中是處于運動狀態，GPS接收儀與測深儀的數據采集也是隨著運動同步進行的，顯然在上述的測量過程中，與水面變化無關，無需對水面高程進行測定，即無需驗潮。

圖3 水下泥面標高換算示意圖

3．4 數據的內業處理

1）將外業所測數據存入電腦。測深儀電腦顯示界面圖如圖4所示。

圖4 測深儀電腦顯示界面圖

2）所采集樣點高程數據用中海達海洋成圖軟件對外業采集的數據進行編輯處理和修正，生成地形圖（或水深圖）、斷面圖或三維地形圖等，自動計算斷面填方面積和體積。數據處理和編輯是高度自動化。外業測量數據通過專用軟件進行處理，可以快速繪制斷面圖，三維立體圖可以直觀地反映水下地形或拋石成型情況。用于疏浚港池、航道施工測量十分方便準確，相關斷面資料、挖填方量信息可實時提取。GPS－RTK自動測深系統組形成拋石斷面圖如圖5所示。

圖5 GPS－RTK自動測深系統組形成拋石斷面圖

3．5 影響測量精度的幾種因素及相應對策

1）船體搖擺姿態的修正。船的姿態可用電磁式姿態儀進行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數，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。GPS定位輸出的更新速率將直接影響到瞬時采集的精度和密度，現在大多數RTKGPS最高輸出率可達20Hz，而各種品牌測深儀的輸出速度差異很大，數據輸出的延遲也各不相同。因此，定位數據的定位時刻和水深數據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驗數據。

3）RTK高程可靠性的問題。RTK高程用于測量水深，其可信度問題是備受關注的問題。在作業之前可以把使用RTK測量的水位與人工觀測的水位進行比較，判斷其可靠性，實踐證明RTK高程是可靠的。為了確保作業無誤，可從采集的數據中提取高程信息繪制水位曲線（由專用軟件自動完成）。根據曲線的圓滑程度來分析RTK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。［3］

3．6 實際案例

預設施工控制格網參數，根據以往類似工程的施工經驗填補欠缺、拋填理坡作業，監測格網按5．0m× 2．0m設置可獲得比較滿意的效果。

按預設格網的測點密度進行水下地形測量。GPS移動站、測深儀、電腦及相關數據處理軟件安裝在小艇上，組成專用測量船，施測時采用定距（2m）打點方式記錄測量數據，測量船沿預設測區測一遍即可獲得該測區的水下地形資料數據。

1）原始數據（表1）

表1 原始數據表 m

2）水深處理數據整理圖。將測區的水下地形資料數據用中海達海洋成圖軟件進行編輯處理和修正，生成如圖6所示的地形圖。

圖6 水深處理數據整理圖

4 結語

在海南國電西南部電廠配套碼頭疏浚工程水下地形測量過程中，測量船配備自動測深成圖系統，由安裝了中海達GPS測量導航和成圖軟件的便攜式電腦自動同步收集、記錄GPS定位數據和測深儀測深數據，實現數字化測圖，可以迅速提供準確的水下地形測量成果，實時動態顯示架設天線點處坐標，控制抓泥船方位，從而在測量導航軟件窗口中自動實時動態顯示當時船位，指揮抓泥船定位施工，為挖泥船施工提供指導依據。通過本工程水下地形測量方法，可以為今后同類工程施測提供重要的參考與借鑒。

［1］盧秀明．淺議東莞航道1︰2000水下地形測量工程實踐經驗［J］．測繪，2009（1）：22－24．

［2］佘繼紅．利用網絡RTK進行水下地形測量的方法探討［J］．現代測繪，2010（4）：18－21．

［3］許寶華，何慧蘭．提高河口地區水下地形測量精度的方法［J］．地理空間信息，2010（5）：28－30．

The Discussion on Technology of Underwater Topographic Survey in Dock Dredging Project

WANG Chun－cha
（Department of Road engineering，Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou350007，China）

In this article，the Hainan wharf dredging underwater topographic survey is adopted as the research object，the use of GPS－RTK and some problems should be paid attention to have been introduced．The project of underwater topography measurement process has been given，several factors with the effect of underwater topography measurement accuracy and the corresponding countermeasures have been analyzed．Through this actual project cases，the results are carried out to verify．It has important reference value for the future relevant work．

GPS－RTK；underwater terrain survey；zhong hai da；actual case

P229．1

A

1009－8984（2016）02－0071－04

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．017

2016－01－09

王春茶（1973－），男（漢），福建永春，副教授主要研究工程測繪。