GPS與測深儀相結合進行水下地形測量淺析

陸清普

摘 要：隨著GPS 技術的不斷發展， RTK技術的出現， 以及計算機技術的高速發展， 使得平面定位技術實現了高精度、自動化、數字化、實時化， 而隨著測深技術的數字化、自動化， 為水下地形測量的數字化、自動化提供了基礎， 為水利測繪提供了先進的手段。本文就全自動數字水下地形測量系統的組成、工作原理、作業方法進行了介紹， 并根據工程實際， 對其測量精度、誤差來源進行了分析。

關鍵詞：GPS；數字測深儀；水下地形測量

水下地形測繪、橫斷面測量是工程規劃、設計和施工的基礎資料。而水下地形測量是地形測量的一種， 它是測量水體（河流， 水庫及湖泊等） 下的床面起伏， 并通過與前期測量成果的比對來確定河床的淤積狀況。

傳統的作業方法是： 在圖根控制點（或已知點） 上設置經緯儀（或全站儀） ， 測定目標船之方位及測站至船的水平距離， 確定船的平面位置， 再利用靜水面高程（水位） 及目標船處的水深求取水下點的高程， 即平面定位和水深測量是相對分離的。如圖1 所示， 其水下地形點高程計算如下：

H = H0 - h2 - h3 （1）

隨著GPS 技術的不斷發展， RTK技術的出現， 以及計算機技術和電子技術的高速發展，使得平面定位技術實現了高精度、自動化、數字化、實時化， 并且能實時獲得測深儀探頭處的高程， 將此高程減去測深儀所測的深度即可得到水下地形點的平面位置和高程。而隨著測深技術的數字化、自動化， 為水下地形測量的數字化、自動化提供了基礎。如圖1 所示其水下地形點高程計算如下：

H = H2 - （ h1 + h2 ） - h3 （2）

一、全自動數字水下地形測量系統的組成及原理

（一）全自動數字水下地形測量系統的組成

全自動數字水下地形測量系統由精確定位導航系統、數字測深系統、計算機控制集成系統等三部分組成。精確定位導航系統主要是準確提供水下地形點的平面坐標和測深儀探頭處的高程； 數字測深系統主要是提供測深儀探頭至水下地形點的深度； 計算機控制集成系統主要對測區進行航線設計， 對GPS 定位數據和測深儀測深數據進行匹配、整合、取舍、計算、存儲， 指揮測量船沿著設計航線航行， 將測量點展繪于地形圖上， 生成數字地形圖。

（二）全自動數字水下地形測量系統的工作原理

全自動數字水下地形測量系統與傳統水下地形測量方法的最大區別在于： 傳統水下地形測量方法的平面定位和水深測量是相對分離的，而全自動數字水下地形測量系統有效地將平面定位和水深測量有機地結合起來了。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， 歷時不到一秒鐘。流動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態； 可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業， 也可在動態條件下直接開機， 并在動態環境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知數解固定后， 即可進行每個歷元的實時處理， 只要能保持四顆以上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。

計算機系統是將數字測深儀與GPS 定位系統連接起來并組成統一整體的載體， 它將GPS的定位數據與測深儀的測深數據進行匹配、取舍、計算、存儲， 將所測的數據輸入地形圖成圖軟件生成數字水下地形圖。

二、平面、高程控制的若干問題

在實際的應用無驗潮方式進行水下測量時，測量精度會由于船體的搖擺、采樣速率、同步時差及RTK高程的可靠性等因素帶來的誤差，遠遠大于RTK定位誤差，我們采取以下措施：

（一）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、縱擺的參數，通過專用的測量軟件接入進行修正。

（二）采樣速率和延遲造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時采集的精度和密度，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。

（三）RTK高程可靠性的問題

RTK高程用于測量水下地形，其可信度一直是倍受關注的問題，在以下的工程實例中，在作業前和作業結束時， 我們在同一時間用RTK測量的水面高程和人工觀測的水面高程進行比較，判斷其可靠性。

三、工程實例分析

（一）數據采集

在鳧洲河和中部排水渠的水下地形測量中， 采用該系統進行測量。其基本配置為：徠卡GPS SR530 兩臺（一臺為基準站， 一臺為流動站） ， 中海達公司生產的HD17 型數字測深儀一臺， 機動測船一條， 100A H 蓄電瓶兩個（保證RTK GPS 基準站、流動站、測深儀、計算機的供電） 。首先在計算機上對測深軟件進行設置， 包括坐標系統、坐標投影方法、坐標變換參數、測圖范圍數據記錄間隔、格式、端口分配、波特率、GPS 天線偏差改正等設置。其次， 根據勘測任務書， 在海洋測量軟件中定義測區范圍， 測區范圍應輸入測區的左下角和右上角坐標以及測圖比例尺；并根據測區范圍進行航線設計， 即對測船航行的路徑進行規劃。再次， 對GPS 進行設置，求解轉換參數，在開始觀測前先對已知等級控制點進行點校正，以求出WGS84坐標系到當地坐標系轉換參數。校正時平面校正點數量不少于3個，高程校正點數量不少于4個，校正點盡量分布于測區周圍。在控制點的WGS84坐標與當地坐標成果均已知的情況下，在內業中即可完成校正，否則，要進行外業校正。然后， 在野外控制點上架設GPS 基準站和基準站電臺， 并啟動基準站測量； 在測船上安裝GPS 流動站和測深儀， 并將它們都連接到主控計算機上， 開啟計算機， 啟動測深軟件和海洋測量軟件， 根據計算機上顯示的測船所在位置、航向指揮測船沿著計劃航線航行并采集記錄測點的平面、高程、水深數據。最后， 對采集到的水下地形點的平面、高程數據進行檢查校核后， 將其輸入專業的數字地形圖成圖軟件和斷面圖成圖軟件進行處理，即可得到高精度的數字地形圖和斷面圖。

（二）測深數據分析比較

為了保證測深儀的測深數據的準確可靠，在作業前和作業結束時， 我們在淺水處分別用花桿的量測深度數據與測深儀的測深數據進行了比較， 在此摘錄部分比較結果見表1 。

在航線設計時， 我們特意把航線設計成縱橫交叉的航線， 最后我們對交叉點在不同時段的測深數據進行了比較， 在此摘錄部分比較結果見表2 。

由上述兩種比較可知， 利用這套系統進行水下地形測量， 其結果是準確、可靠的。

四、結語

總之， 利用全自動數字水下地形測量系統進行水下地形測量， 實現了從數據采集直至最終數字地形圖的形成的高度自動化， 大大提高了勞動效率， 促進了技術的進步， 減小了各種測量誤差。

參考文獻：

[1]胡家明編譯.水上測量新技術，[M]人民交通出版社，北京，1984.

[2]吳子安，吳棟材.水利工程測量，[M]測繪出版社，北京，1993.