GPS-RTK 有無驗潮模式同步進行水深測量研究

王志文，雷力軍

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

關鍵字：GPS 測量；GPS-RTK 無驗潮模式；有驗潮模式；水深測量

引言

水深測量一般采用驗潮儀對水位進行控制，這種水位控制方法可以提供高精度的水位結果，但投放在水里的驗潮儀容易出現移動、丟失、破壞、被泥沙掩埋等情況，導致數據丟失或不可用，無法有效對水深數據進行水位改正，導致水深測量數據失效，造成較大的經濟損失。GPS-RTK 能提供三維坐標數據，目前已被廣泛應用在多種測量工作場景中，其測量精度可達到cm 級。目前其應用場景主要集中在陸地測量，水深測量應用較少，出現這種情況的這主要原因是GPS-RTK 的工作有效半徑較小，基本在在10 km 左右。但若在GPS-RTK 有效工作半徑范圍內，GPS-RTK 無驗潮模式的水深測量可實時獲取水面高程數據，從而可避免因無水位數據導致水深測量結果失效造成的經濟損失[1-2]。為了提高工作效率以及避免經濟損失，在GPS-RTK有效工作范圍內進行水深測量時，可同時采用有驗潮模式和GPS-RTK 無驗潮兩種模式進行水深測量，當驗潮儀未被破壞時采用有驗潮模式進行數據處理，反之采用GPS-RTK 無驗潮模式進行數據處理。本文采用孟加拉某河道水深測量項目為依托，對其測量流程進行梳理和研究以及探明GPS-RTK無驗潮水深測量結果的精度如何。

1 水深測量工作原理

1.1 有驗潮模式水深測量工作原理

水深測量時將自容式潮位儀安裝在專用驗潮儀架中并置于水底，以防止觀測過程中出現移動。為傳算主驗潮儀（從布設岸邊的驗潮儀中選取一個）零點高程，測量期間在主驗潮儀處同時進行人工水位觀測。測量完畢后，采用同步期平均海平面法傳算驗潮儀副站零點高程，進而計算各驗潮站各時刻水位[3-4]。水深測量原理示意圖可見圖1 所示。

圖1 水深測量原理示意圖

H2表示靜吃水，即換能器底端距海面的距離，可通過現場測量得到；

H3表示換能器底端距海低的距離，即測深儀的測量數據；

H4表示海底與海面之間的距離可用H2和H3表達，具體表達公式為H4=H2+H3。

測量結束后，根據驗潮儀提供的水位數據W對測量得到的水深數據進行水位改正，從而得到海底高程h，可用公式表達如下：h=W-H4。

1.2 GPS-RTK 無驗潮模式水深測量工作原理

水深測量時在陸地架設一臺GPS 基準站提供差分信號，在測量船上安置一臺GPS 流動站接受基站的差分信號，從而獲取實時的坐標和高程[5-6]。根據示意圖1 其工作原理可表達如下：

H1表示GPS 接收機天線到海面的距離，可通過現場測量得到。

H2、H3和H4的含義與上述相同。根據GPS接收機獲取的實時高程數據H 可計算相應海底的高程h，其計算公式如下：h=H-H1-H4。

2 水深測量

我司在孟加拉博杜地區承擔了某河道水深測量任務，測區距離河流入海口約17 km，屬于感潮河段，潮汐影響水位變化可達2 m。為有效控制水位，減弱水位縱向落比差的影響，共布設5 個臨時潮位站SC1、SC2、SC3、SC4、SC5，將SC3 作為主潮位站并設立人工水位觀測站進行人工水位觀測，用于引測其它各站潮位儀零點高程。

根據以往在孟加拉的工作經驗，投放的驗潮儀非常容易被破壞和丟失。為了避免因驗潮儀丟失導致水深測量工作失效，以及按時向業主提交數據資料，我司采用GPS-RTK 無驗潮和有驗潮雙模式水深測量同步進行的方法進行測量。本次水深測量使用中海達H32 型GPS 接收機、中海達HD370 型單波束測深儀和DCX-25PVDF 型自容式潮位儀。

2.1 坐標轉換參數計算

為滿足三維水深測量的需求，選取了位于河道兩側的四個三維控制點K1、K2、K3、K4 和3 個高程點C1、C2 和MJ，采用GPS 靜態模式進行聯測，進而解算了測區內WG4-84坐標和大地高到當地坐標以及高程的轉換七參數。

2.2 測量船舶動吃水

船舶航行時，因水動力作用會出現船體升沉現象，這種現象會引起測深儀換能器吃水變化，其相對于靜態吃水的變化量為船舶動態吃水。采用“RTK 定位法”測定測量船在工作船速狀態下換能器位置動吃水改正數[7]。

2.3 測量海水密度

自容式潮位儀是測量海水總壓力（水壓與氣壓之和）的設備，其中海水密度ρ是影響潮位儀計算水深的重要因素。海水密度受水溫、鹽度等因素共同影響，在不同季節、不同海區有著較大差異。因此為快速有效獲取本工程區域海水密度，用深度對比法（通過精準測量潮位儀入水深度反算海水密度方法）實際測量投放位置的海水密度[8]。

2.4 測深儀設置

在測深儀測量軟件中進行坐標設置以及輸入坐標轉換七參數，并將測線導入到軟件中。

2.5 水位控制

本次河道測量水位觀測站均采用自容式潮位儀進行水位觀測，自容式潮位儀是通過測量水壓（包括大氣壓）變化計算獲得水深數據的一種測量設備。根據水深測量進展情況進行水位觀測工作，水位站觀測時段信息見表1 所示。

表1 水位站觀測時段信息表

1）水位觀測

自容式潮位儀安裝在專用驗潮儀架中并置于水底，以防止觀測過程中出現移動。數據采集時間間隔為10 分鐘，整10 分鐘時刻進行數據觀測，時間系統采用北京時。同步驗潮期間為消除大氣壓影響，同時進行大氣壓觀測。為傳算SC3 驗潮儀零點高程，測量期間在SC3 處進行人工水位觀測。

2）潮位站驗潮儀零點高程求取及瞬時水位計算

根據潮位儀的觀測值（水壓和氣壓之和）、大氣壓觀測值通過公式(1)計算各時刻水深值。

式中：h 為水深值；P 為水壓觀測值（水壓和氣壓之和）；Ap 為大氣壓觀測值；g 為重力加速度（根據當地緯度與理論公式解算重力加速度，g=9.787565 m/s2）；ρ 為海水密度（用深度對比法計算獲得，ρ=1.020 kg/dm3）。

通過SC3 處人工水位觀測值與對應的SC3 潮位站潮位儀的水深值，計算出該潮位站驗潮儀的零點高程，從而計算得到該站各時刻水位。

以SC3 潮位站為主站，采用同步期平均海平面法傳算潮位站SC1、SC2、SC4、SC5 驗潮儀零點高程，進而計算各潮位站各時刻水位。

3）潮位站同步驗潮數據分析

通過同步驗潮數據，水位數據正常、無跳點、水位曲線圓滑且成正弦曲線。各潮位站之間的潮位差數據均相對于SC3 潮位站，見表2。

表2 潮位站潮時差及潮高差統計表

2.6 水深測量施測

測深儀換能器固定在船舷中部，量取換能器靜吃水值并在測深儀采集軟件中設置相應參數，GPS接收機天線固定在測深儀換能器頂端，保證測深點與測深定位點在同一垂線上。

水深測量時將GPS 接收機連接測深儀，啟動測深儀中的電腦系統打開導航測深軟件，在軟件中進行坐標轉換參數、聲速等參數設定，待測深儀正常接收GPS RTK 信號后，啟動測深系統同步采集測深點定位數據及測深數據，數據采集時間設定為北京時間。測深儀放置在駕駛室，船長按照測線行駛，測量人員監視測深及導航數據采集情況。測量過程中換能器安裝桿無傾斜、升降現象，定位數據和測深數據連續可靠。

每個工作日于測深前后均利用校驗板進行測深儀測深校正，實測各整米位深度，求出各整米位實際深度與實測水深的不符值，在數據處理時對水深數據進行改正，以保證測深數據精度。

3 數據處理

水深測量外業結束后，使用中海達的《水深資料處理軟件5.50》進行水深數據處理，分別通過三維水深測量數據處理方式和水位改正數據處理方式，兩種方式數據處理流程見圖2 所示。

圖2 數據處理流程圖

為檢查GPS-RTK 無驗潮水深測量成果精度，與有驗潮數據進行了水深數據對比，選取了三種不同類型的斷面進行比較，見圖3 所示。

圖3 兩種測量模式對比圖

通過圖3 可以看出，兩種測量模式得到的水深結果吻合度很好，水深結果在不同地形處的趨勢一致。為進一步檢驗無驗潮模式的測量精度，將所有同名點得到的兩套高程值進行差值計算，將差值數據進行統計分析，具體結果可見表3 所示。

表3 兩種模式測深結果比對表

根據表3 數據結果，表明兩種測量方式具有良好的一致性，采用GPS-RTK 無驗潮水深測量方式能夠滿足1:1000 及以上大比例尺的水深測量要求。

4 結語

采用有驗潮模式的水深測量可以獲得高精度的水位測量結果，但驗潮儀容易發生丟失、破壞等情況，會導致測量工作的失效，需要重新補測，造成極大的經濟損失。GPS-RTK 無驗潮水深測量可實時獲取水面高程，避免因缺少水位數據造成的經濟損失。因此在GPS-RTK 有效工作范圍內的水深測量可采用這兩種測量模式同步進行，當驗潮儀受到破壞時則采用無驗潮的測量結果，既避免了經濟損失又能按時提交測量數據。