陸清普

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

關(guān)鍵詞：GPS；數(shù)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(guī)劃、設(shè)計和施工的基礎(chǔ)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(tǒng)的作業(yè)方法是： 在圖根控制點（或已知點） 上設(shè)置經(jīng)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(shù)的不斷發(fā)展， RTK技術(shù)的出現(xiàn)， 以及計算機技術(shù)和電子技術(shù)的高速發(fā)展，使得平面定位技術(shù)實現(xiàn)了高精度、自動化、數(shù)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(shù)的數(shù)字化、自動化， 為水下地形測量的數(shù)字化、自動化提供了基礎(chǔ)。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(shù)字水下地形測量系統(tǒng)的組成及原理

（一）全自動數(shù)字水下地形測量系統(tǒng)的組成

全自動數(shù)字水下地形測量系統(tǒng)由精確定位導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字測深系統(tǒng)、計算機控制集成系統(tǒng)等三部分組成。精確定位導(dǎo)航系統(tǒng)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(shù)字測深系統(tǒng)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(tǒng)主要對測區(qū)進行航線設(shè)計， 對GPS 定位數(shù)據(jù)和測深儀測深數(shù)據(jù)進行匹配、整合、取舍、計算、存儲， 指揮測量船沿著設(shè)計航線航行， 將測量點展繪于地形圖上， 生成數(shù)字地形圖。

（二）全自動數(shù)字水下地形測量系統(tǒng)的工作原理

全自動數(shù)字水下地形測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)水下地形測量方法的最大區(qū)別在于： 傳統(tǒng)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(shù)字水下地形測量系統(tǒng)有效地將平面定位和水深測量有機地結(jié)合起來了。在RTK作業(yè)模式下， 基準站通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS 觀測數(shù)據(jù)， 并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理， 同時給出厘米級定位結(jié)果， 歷時不到一秒鐘。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)； 可在固定點上先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)， 也可在動態(tài)條件下直接開機， 并在動態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知數(shù)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(wèi)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(jié)果。

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

二、平面、高程控制的若干問題

在實際的應(yīng)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(tài)的修正

船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺的參數(shù)，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(jié)果計算得到，也可以采用以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

（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(guān)注的問題，在以下的工程實例中，在作業(yè)前和作業(yè)結(jié)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(chǎn)的HD17 型數(shù)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(shè)置， 包括坐標系統(tǒng)、坐標投影方法、坐標變換參數(shù)、測圖范圍數(shù)據(jù)記錄間隔、格式、端口分配、波特率、GPS 天線偏差改正等設(shè)置。其次， 根據(jù)勘測任務(wù)書， 在海洋測量軟件中定義測區(qū)范圍， 測區(qū)范圍應(yīng)輸入測區(qū)的左下角和右上角坐標以及測圖比例尺；并根據(jù)測區(qū)范圍進行航線設(shè)計， 即對測船航行的路徑進行規(guī)劃。再次， 對GPS 進行設(shè)置，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，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?shù)刈鴺讼缔D(zhuǎn)換參數(shù)。校正時平面校正點數(shù)量不少于3個，高程校正點數(shù)量不少于4個，校正點盡量分布于測區(qū)周圍。在控制點的WGS84坐標與當?shù)刈鴺顺晒阎那闆r下，在內(nèi)業(yè)中即可完成校正，否則，要進行外業(yè)校正。然后， 在野外控制點上架設(shè)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(jù)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(shù)據(jù)。最后， 對采集到的水下地形點的平面、高程數(shù)據(jù)進行檢查校核后， 將其輸入專業(yè)的數(shù)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(shù)字地形圖和斷面圖。

（二）測深數(shù)據(jù)分析比較

為了保證測深儀的測深數(shù)據(jù)的準確可靠，在作業(yè)前和作業(yè)結(jié)束時， 我們在淺水處分別用花桿的量測深度數(shù)據(jù)與測深儀的測深數(shù)據(jù)進行了比較， 在此摘錄部分比較結(jié)果見表1 。

在航線設(shè)計時， 我們特意把航線設(shè)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(shù)據(jù)進行了比較， 在此摘錄部分比較結(jié)果見表2 。

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

四、結(jié)語

總之， 利用全自動數(shù)字水下地形測量系統(tǒng)進行水下地形測量， 實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集直至最終數(shù)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(shù)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(shù)，[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.