RTK 與數字測深集成技術在水下測量中的應用

莊培泳

（潮州市潮水水利水電勘測設計有限公司，廣東 潮州 521000）

1 測量原理

Real-time kinematic（實時動態）實時差分定位技術主要依據載波相位觀測，是GPS測量技術的新發展。RTK測量技術主要由基準站、流動站和數據鏈等組成，當前該技術已經在水下地形測量領域廣泛應用。數字測深儀作為一種適用于江河、湖泊、水庫等水深測量的便攜式測深記錄儀，在勘察、水文、航道和疏浚等領域測量和數據輸出方面具有極大的應用前景，其所具備的DSP數據信號處理技術、水底追蹤技術能夠適應惡劣的水文環境，獲取精確、真實、可靠、穩定的水聲數據。通過在測船上使用RTK作業方式的GPS+便攜機+數字測探儀的基本作業模式[1]，便可完成水下地形測量以及水深等數據的自動采集。雙頻RTK定位具有較高的實時定位高程測量精度，故而能取代傳統工序復雜的水尺布測水位觀測方式。

RTK結合數字測深儀進行水下定位點高程的測量，首先應將RTK天線安裝于測深儀換能器上方，確保測量時RTK測量點位始終與水下定位點處于同一鉛垂線。測量時，測深儀在換能器測定底部坐標和高程的同時測定出定點水深，RTK測量高程H1減去測深儀測量水深H2后，即為水下定位點高程H，見圖1。

圖1 水下定位點高程測量示意圖

2 應用實例

2.1 工程概況

潮州市韓東新城防洪綜合整治一期工程整治范圍包括意東堤、東廂堤和韓江東岸市區段護岸（含北溪橋閘）。其中意東堤段北起意歸公路，南至橋東水廠，全長約4.6 km；韓江東岸市區段護岸北起橋東水廠，南至北溪橋閘，全長約2.6 km；東廂堤段北起北溪橋閘，南至在建的潮州大橋，全長約2 km。本工程的任務主要是通過對意東堤、東廂堤實施達標加固處理，消除潛在的險情和隱患，達到50年一遇的防洪標準，通過遠期與上游水庫堤庫的結合，防護區防洪標準提升至100年一遇，使堤圍的防洪能力與未來韓東新城城市建設的定位相匹配。本工程主要進行南溪湖沉砂池西北角區域的水深測量，測量點設置在南溪湖水庫一號水泵站內，測區水深13 m~19 m。

2.2 儀器配置及測量方案

2.2.1 儀器配置

本次對南溪湖沉砂池西北角區域的水深測量主要采用由北京宏暢航宇儀表公司所生產的定位精度±20 mm+2 ppm的華測X91雙頻實時動態定位RTK，測深精度為0.5%H的SDE-18南方數字測深儀，筆記本電腦，中海達測繪所推出的HyNav海洋測量工程施工定位及成圖系列軟件[2]。

2.2.2 測量方案

（1）平高系統和轉換參數的確定

平高系統分別采用北京54坐標系及珠江高程基準，由于測區內控制點已經存在，無需再建控制網，利用已有點進行轉換參數的求解?；鶞收驹O置在潮州市橋東的GPS-E級網的筆架山控制點，轉換參數根據所設控制點求得，再將其余控制點設為檢測點，進行數據比較。

（2）測船速度的確定

測船速度的確定對于測量結果的精確程度十分關鍵，船速過快則會降低點位坐標精度，影響水下地形測繪精度，船速過慢則必將增大數據量，加大數據處理難度。考慮到本工程實際情況以及RTK測量儀器采樣率、測深儀信號傳輸的時延、水流流速等因素，最終確定能保證測點點位精度達到cm級精度的測船速度為2.0 m/s。

（3）測線寬度及測點距離的確定

同測船速度的確定相同的是，測線寬度和測點距離的選擇同樣影響水下測量的精度和工程量，根據工程測量實際情況和要求，測線的布設每隔10 m一條，數據點的采集每2 s一個。

（4）信號到達計算機相對時延值的確定

測船運行過程中時延值的存在將導致測點平面值和深度值匹配紊亂，影響到測量精度，所以，必須充分考慮到時延值的存在。RTK信號的時延值比測深儀信號的時延值小[3]，所以上述誤差主要由測深儀信號到達計算機的時延所引起，必須依據測點所處水深加以確定。

2.3 內業數據處理及成果的輸出

將所收集并記錄的水深數據導入Excel表格后進行RTK測量高程及所對應水深數據的處理，便可得出水底高程。將RTK平面坐標轉換為所需的三維坐標（X,Y,H），并將測量數據轉換為與HyNav海洋測量系列軟件所匹配的數據文件，再運用HyNav海洋測量軟件2.0進行數據處理并編輯成圖。

3 精度分析

RTK數字測深成圖誤差既包括觀測測船上RTK天線原定位置測定等人為方面的誤差，也包括設備儀器制造精度、天氣、風浪等環境方面的誤差，甚至還包括起算數據、計算方法等方面的誤差。這里主要討論對測量成圖精度影響較大的誤差項。

3.1 風浪引起的誤差

風浪的存在將引起測船左右晃動，GPS天線、換能器及測深儀的測定點很難位于一條直線上，為提升測量精度，必須明確測船的晃動程度，或者只能終止測量。對于受風浪影響較小的測點平面坐標誤差可以忽略不計，主要討論受風浪影響較大的水底高程誤差。設測船搖晃瞬間的橫向和縱向傾斜角度分別為 θr和 θp，GPS天線距離換能器的高度為 W，則天線高V=Wcosθrcosθp，當 θr=θp，且 V-W＜0.1 m，θ＜8°時，才能滿足測量成圖的精度要求。通常情況下，應在傾斜角度＜6°的范圍內施測。

3.2 RTK作業引起的誤差

本工程運用華測X91雙頻實時動態定位RTK水下測量的檢測精度見表1。

表1 RTK檢測精度表

由上表結果可知，RTK與數字測深集成技術的測量精度主要受轉換參數求解的起算點分布的影響，在運用四參數法求解轉換參數的過程中，測量點位于求解轉化參數的起算點以內區域，測量精度最高，且基本符合水下測量要求，對于10 km以內的測點，平面誤差不超過0.45 m，高程誤差不超過0.25 m。而測量點位于求解轉化參數的起算點以外區域，隨著測距的增大，測量誤差增加，到10.6 km及以外時便無法達到水下測量精度要求，為此必須重新進行基準站設置和轉換參數的計算。

3.3 測深儀引起的誤差

引起測深儀誤差的主要是儀器記錄速度、分辨率等設計制造方面，電流擾動，水波氣泡等原因，其中有些方面與水深無關，而有些因素與水深成正比，根據測深儀生產廠家所給出的標稱精度，測深誤差最大值mx=±0.3%H。

水溫、鹽度、富營養化、靜水壓力等都對水中聲波的傳播速度有一定影響[4]，故對其的分析較為復雜，水聲傳播速度通常用下式計算：

式中：t表示水溫，℃；s表示鹽度，%；p表示靜水壓力。

由上式可知，隨著水溫、鹽度和靜水壓力等的增大，水中聲波的傳播速度隨之增大，其中水溫是主要的影響因素。假定其余條件不變時，水溫每變動1℃，聲波的傳播速度將變動4.5 m/s。而在聲波的傳播速度未作出測定的情況下，水聲傳播速率對測深影響的誤差將高達1.5%H，綜上可知，測深最大誤差應設定為mz=±0.7%H。本工程南溪湖沉砂池西北角區域的水深測量中，最大水深18.5 m，則可求得測深最大誤差mmax=±0.7%×18.5=±0.1295 m，這一精度基本滿足水利工程水下測量要求。

4 結論及討論

水下地形圖測量中，RTK測量技術比常規測量具有較大優勢：測量精度提高，施工復雜程度降低，常規測量無法完成的工作也得到保證。RTK數據處理和繪圖軟件系統有助于實現外業數據采集、內業數據處理、等高線生成、水下地形圖繪制、圖像輸出等工作的自動化與高精確率，為水利工程方案決策、設計及實施提供依據。實踐證明，RTK與數字測深集成技術應用于水利工程水下地形測量既能實現野外實時數據采集，保證地形數據的可靠性，又能進行數據的準確定性、定位與定量分析，導航性與同步性能良好，精度高，該項技術在今后水下地形測繪方面應用前景十分廣泛。