何廣源,吳迪軍,李劍坤

（1.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司, 湖北 武漢 430050）

瓊州海峽位于廣東省雷州半島和海南島之間，西接北部灣，東連南海北部，呈東西向延伸，海峽東西長約80 km，南北平均寬度為29.5 km。規(guī)劃中的瓊州海峽跨海通道工程（西線方案）海中軸線長約42 km，該工程可行性研究階段需測繪中線兩側(cè)各5 km范圍內(nèi)的海床地形。由于跨海距離長、海域水深大、測區(qū)面積大、精度要求較高、海洋氣候惡劣，常規(guī)的水下地形測量方法無法滿足工程應(yīng)用的需要，必須綜合運用GPS定位技術(shù)和多波束水深測量技術(shù)。多波束技術(shù)在大區(qū)域、大范圍的水下地形測量中具有單波束技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢[1-4]，同時GPS無驗潮測量方法具有成本低、效率高、精度高、可全天候、無需驗潮且能有效消除傳統(tǒng)作業(yè)模式中船只動態(tài)吃水和涌浪等因素的影響等優(yōu)點[5]；兩者結(jié)合是目前近海海域大范圍水下地形測量的主流技術(shù)方法。本文以瓊州海峽跨海通道工程水下地形測量項目為背景，探討了基于GPS的無驗潮多波束水下地形測量方法及其應(yīng)用技術(shù)。

1 測量原理與方法

1.1 基本原理

傳統(tǒng)的海域水下地形測量方法一般采用GPS定位確定海底地形測點的平面坐標(biāo)（x，y），而其高程h則通過驗潮求得[6]。GPS水下地形測量的基本原理如圖1所示。

圖1中，h0為通過驗潮方法求得的水面標(biāo)高，h1為測深儀換能器到水面的垂直距離，h2為測深儀換能器到海底的垂直距離，h3為GPS天線高，h4為GPS天線到換能器的高度。測點的海底高程h可以由以下關(guān)系式求得：

圖1 GPS水下地形測量原理圖

式（1）、式（2）分別表示驗潮模式和無驗潮模式下GPS水下地形測量的基本原理。由式(2)直接確定海底測點的高程而無需要進行驗潮，故稱之為GPS無驗潮水下地形測量方法[7]。

多波束測深系統(tǒng)的工作原理是通過聲波發(fā)射與接收換能器陣進行聲波廣角定向發(fā)射和接收，通過各種傳感器（衛(wèi)星定位系統(tǒng)、運動傳感器、電羅經(jīng)、聲速剖面儀等）對各個波束測點的空間位置進行歸算，從而獲取與航向垂直的條帶式高密度水深數(shù)據(jù)[1-4]。多波束測深系統(tǒng)同單個寬波束的回聲測深儀相比，具有橫向覆蓋范圍大（為深度的幾倍）、波束窄（約為3°～5°）、效率高等優(yōu)點，特別適用于海上工程施工區(qū)和重要航道等較大面積的水下地形精確測量。GPS無驗潮多波束水下地形測量正是充分利用GPS RTK技術(shù)和多波束測深系統(tǒng)優(yōu)點的一種新方法。

1.2 測量方法及關(guān)鍵點

1）在測區(qū)內(nèi)布設(shè)GPS控制網(wǎng)，采用GPS 靜態(tài)方法觀測并進行高程聯(lián)測，計算各點的平面坐標(biāo)和高程，求取測區(qū)內(nèi)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)。

2）在測區(qū)內(nèi)選擇滿足要求的若干控制點，架設(shè)GPS接收機和無線電臺，建立RTK基準(zhǔn)站。瓊州海峽最寬處直線距離為33.5 km，因此必須選擇高頻信號發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，以確保海上空曠環(huán)境下信號覆蓋半徑約為18～20 km。

3）為了確保GPS無驗潮水深測量成果的精度及其可靠性，應(yīng)采用傳統(tǒng)驗潮站方法對GPS RTK測高成果進行校核及修正[8]。由于本項目區(qū)域附近沒有固定驗潮站，考慮到精度要求，在測區(qū)附近南、北岸的玉包港、放坡村分別設(shè)立臨時驗潮站，臨時驗潮站布置滿足潮位站之間潮時差在2 h以內(nèi)同時落差在1 m以內(nèi)的要求。采用測量精度為1 cm的YJD-1自動水位計在作業(yè)期間進行連續(xù)觀測潮位，潮位記錄時間間隔5 min，滿足了GPS驗潮的驗證和修正目的。

4）為了保證多波束掃測的正確性和可靠性，作業(yè)期每天采用高精度聲速剖面儀進行聲速采集，并對比儀測水深與錘測水深，誤差滿足要求后方可進行測量作業(yè)。

5）采用抗風(fēng)浪性較好的大型測量船舶，同時避免行船方向與海浪方向垂直，測線布設(shè)與海浪方向一致，盡量減少風(fēng)浪影響。

6）根據(jù)測區(qū)控制網(wǎng)解算結(jié)果計算測區(qū)高程異常值參數(shù)，并用10 cm的等高距，建立測區(qū)高程異常分布圖和高程異常模型。利用Hypack數(shù)據(jù)采集軟件，根據(jù)GPS RTK的固定解實時改正多波束系統(tǒng)中測點的高異常值。

7）合理設(shè)計測量計劃，要求主測線間數(shù)據(jù)重復(fù)率大于20%，并按大致10%的比例布設(shè)檢查測線。檢查線與主測線基本正交，保證足夠的冗余度用于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中的檢核。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

2.1 潮位數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

1）潮位率定。YJD-1為投入式壓阻水位計，需要率定斜率K和偏移B2個值，用于水位計記錄文件的改正。率定方法為大、中、小潮時采用儀測潮位與水位計記錄同步比對。實測潮位使用全站儀觀測和設(shè)立直立式水尺觀測方法。圖2為南岸側(cè)玉包港驗潮站斜率K和偏移B的率定結(jié)果。

圖2 南岸潮位站率定結(jié)果

圖3為南岸潮位站作業(yè)期間局部經(jīng)修正后的潮位過程圖。由圖3可知，原始實測潮位與平均潮位曲線吻合很好，表明實測潮位值精度可靠，可以用作檢驗和修正多波束測深系統(tǒng)中的GPS驗潮結(jié)果。

圖3 南岸潮位站5月份局部潮位過程線

2）GPS潮位修正。利用GPS RTK技術(shù)，通過時間偏差改正、姿態(tài)改正、高程異常改正、信號處理和吃水改正及船舶姿態(tài)修正，獲得更能代表測點精密在航潮位的真實值，即GPS潮位。GPS RTK測量過程中，存在GPS失鎖、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)У裙收希鳂I(yè)期間出現(xiàn)過近15 d斷斷續(xù)續(xù)測量及GPS潮位短暫中斷、微小跳躍等現(xiàn)象。因此，短時間內(nèi)GPS潮位可利用南、北兩岸臨時驗潮站的數(shù)據(jù)進行平滑處理，以滿足測量要求。圖4為某一時段GPS驗潮與臨時驗潮站潮位比較結(jié)果圖。

圖4 GPS驗潮與臨時驗潮站潮位比較圖

2.2 多波束水深測量結(jié)果與分析

多波束外業(yè)掃測的成果質(zhì)量，以檢查線與主測線重復(fù)測量精度來評價。利用檢查測線與主測線相同區(qū)域內(nèi)的三維數(shù)據(jù)，共489 880點構(gòu)建979 758個三角形，通過Hypack軟件計算，檢查測線測量成果與測線測量成果基本上呈正態(tài)分布，成果精度指標(biāo)見表1。結(jié)果表明，本文方法在實際應(yīng)用中具有一定的準(zhǔn)確性、可行性和有效性，成果滿足相關(guān)規(guī)范和本項目技術(shù)設(shè)計要求。

表1 多波束水深測量成果精度

3 結(jié) 語

本文根據(jù)瓊州海峽跨海通道工程水下地形測量自身獨有的特點，具體分析和探討了一些可行的實施步驟、方法及成果質(zhì)量保證措施。實踐表明，本文方法在實際應(yīng)用中具有一定準(zhǔn)確性、可行性和有效性，成果滿足相關(guān)規(guī)范和本項目技術(shù)設(shè)計要求，為同類工程應(yīng)用提供了一定參考和借鑒作用。

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