梁昭陽(yáng)

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系，福州 350007)

利用FZCORS結(jié)合數(shù)字測(cè)深儀技術(shù)在城市內(nèi)湖清淤中的應(yīng)用

梁昭陽(yáng)

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系，福州 350007)

水下地形圖在城市建設(shè)、航道疏浚、湖泊清淤中具有重要作用。闡述了福州市全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的基本原理和構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)RTK模式與數(shù)字測(cè)深技術(shù)集成、方格網(wǎng)法土方計(jì)算基本原理，并以福州市左海公園湖泊清淤工程為案例，詳細(xì)論述了利用FZCORS技術(shù)與數(shù)字測(cè)深儀在城市內(nèi)湖清淤中的應(yīng)用，并得出了一定結(jié)論。

CORS；數(shù)字測(cè)深儀；網(wǎng)絡(luò)RTK；土方量；清淤

0 引言

CORS系統(tǒng)是衛(wèi)星定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)等高新科技多方位、深度融合的綜合系統(tǒng)。CORS系統(tǒng)不僅可以向各級(jí)測(cè)繪用戶(hù)提供高精度、連續(xù)的時(shí)間和空間基準(zhǔn)，還可向用戶(hù)實(shí)時(shí)提供差分信息，實(shí)現(xiàn)精確定位，與傳統(tǒng)作業(yè)模式相比具有覆蓋范圍廣、成本低、精度和可靠性高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。數(shù)字測(cè)深儀能夠獲得水深數(shù)據(jù)，但不具備定位功能，將網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)和數(shù)字測(cè)深技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)水深數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)的同步采集，從而獲得水下高程數(shù)據(jù)，為各類(lèi)河道、湖泊的疏浚工程提供水下地形數(shù)據(jù)。

1 FZCORS系統(tǒng)

福州市全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(FZCORS)于2007年初步建成，是福建省首個(gè)城市區(qū)域性CORS系統(tǒng)，F(xiàn)ZCORS系統(tǒng)由在福州轄區(qū)內(nèi)多個(gè)GNSS聯(lián)系運(yùn)行參考站組成的參考站網(wǎng)和一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心構(gòu)成。系統(tǒng)覆蓋了福州市區(qū)，為了能夠給FZCORS系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的用戶(hù)提供精確的差分?jǐn)?shù)據(jù)，系統(tǒng)參考站坐標(biāo)聯(lián)測(cè)了多個(gè)國(guó)家高等級(jí)GPS控制點(diǎn)，并結(jié)合IGS跟蹤站的精密星歷進(jìn)行嚴(yán)密平差解算。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)接收處理模型化向用戶(hù)播發(fā)差分改正數(shù)據(jù)，用戶(hù)接收數(shù)據(jù)后能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)，同時(shí)也可以進(jìn)行DGPS作業(yè)。FZCORS主要為各級(jí)測(cè)繪用戶(hù)提供高精度、連續(xù)的空間基準(zhǔn)，滿(mǎn)足福州區(qū)域的城市發(fā)展建設(shè)，同時(shí)也為數(shù)字城市建設(shè)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。[3]

2 網(wǎng)絡(luò)RTK與數(shù)字測(cè)深儀集成原理

網(wǎng)絡(luò)RTK由基準(zhǔn)站網(wǎng)，數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)通信線(xiàn)路組成，用戶(hù)利用通信網(wǎng)絡(luò)接收基準(zhǔn)站發(fā)送的差分信息，實(shí)現(xiàn)快速定位。數(shù)字測(cè)深儀的基本原理是利用超聲波穿透介質(zhì)形成的反射現(xiàn)象，通過(guò)超聲波的傳播速度和時(shí)間來(lái)計(jì)算聲波傳播距離?；诰W(wǎng)絡(luò)RTK的實(shí)時(shí)定位功能和數(shù)字測(cè)深儀的水深測(cè)量功能，將各自的功能進(jìn)行集成就形成了能夠?qū)崟r(shí)輸出三維信息的水下地形測(cè)量設(shè)備。

采用網(wǎng)絡(luò)RTK和測(cè)深儀聯(lián)合作業(yè)時(shí)，需要將測(cè)深儀與RTK進(jìn)行連接，然后通過(guò)筆記本電腦進(jìn)行設(shè)置和操作，利用數(shù)據(jù)軟件將同步接收到的RTK數(shù)據(jù)和測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行整合形成三維測(cè)量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)組成如圖1所示。在進(jìn)行設(shè)備固定時(shí)為確保RTK數(shù)據(jù)與換能器測(cè)深數(shù)據(jù)在同一垂線(xiàn)上，需保證RTK測(cè)桿和與之相連的換能器垂直安置，并且用繩索固定牢靠確保其在船體運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生傾斜。如圖1，若RTK采集的高程數(shù)據(jù)為H1，測(cè)深儀采集到的深度數(shù)據(jù)為H2，水下對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的高程為[5]：

H=H1-H2，

(1)

式中H1為RTK天線(xiàn)高減去RTK天線(xiàn)至換能器的高度，即換能器底部高程。

由于GPS采用的是WGS84系統(tǒng)，為了將其坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用FZCORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)可將采集的坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)中，同時(shí)再使用大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)計(jì)算高程異常，通過(guò)事后或?qū)崟r(shí)進(jìn)行高程異常改正，GPS將大地高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為正常高，即可確定水下點(diǎn)位的真正高程。

圖1 水下測(cè)量示意圖

3 清淤量的計(jì)算

南方城市水系發(fā)達(dá)，城市內(nèi)河湖泊眾多，河道清淤已經(jīng)成為河道治理的常態(tài)化工作。清淤量計(jì)算作為土方計(jì)算的重要應(yīng)用之一，是各類(lèi)河道湖泊疏浚清淤工程量的關(guān)鍵指標(biāo)。土方量計(jì)算的方法有很多，在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛的主要有方格網(wǎng)法、斷面法兩種，不同的方法適用不同的地形情況，斷面法主要在帶狀地形的土方計(jì)算中使用，方格網(wǎng)法主要適用各類(lèi)塊狀和地形起伏較小的地塊，因此，要根據(jù)實(shí)際情況選擇土方計(jì)算方法。

湖泊的面積較大且地形起伏較小，方格網(wǎng)法十分適用城市內(nèi)湖清淤方量計(jì)算。方格網(wǎng)法通常將地塊劃分成若干個(gè)邊長(zhǎng)5～20 m的正方形格網(wǎng)，將設(shè)計(jì)標(biāo)高和現(xiàn)狀標(biāo)高標(biāo)注在右上角(如圖2)，計(jì)算各角點(diǎn)的清淤高度(填或挖)，根據(jù)各角點(diǎn)的標(biāo)高差計(jì)算每個(gè)四棱柱的體積，其基本公式為[6]：

圖2 方格網(wǎng)計(jì)算示意圖

(2)

式中：V為清淤工程量；a為方格邊長(zhǎng)(m)；h1、h2、h3、h4分別為方格網(wǎng)4個(gè)角點(diǎn)的清淤高度(m)。當(dāng)在一個(gè)格網(wǎng)同時(shí)出現(xiàn)填方和挖方時(shí)，需要先計(jì)算出零線(xiàn)位置，區(qū)分填方和挖方界限。最后將所有方格網(wǎng)內(nèi)的填方和挖方數(shù)進(jìn)行匯總，得到總的清淤量。

4 工程應(yīng)用

按照福州市建設(shè)規(guī)劃，為進(jìn)一步提升城市形象，打造內(nèi)河旅游新亮點(diǎn)，對(duì)左海—西湖—白馬河之間的通航能力進(jìn)行提升，實(shí)現(xiàn)西湖—閩江全線(xiàn)通航。左海—西湖通航工程作為首期工程，首先需要實(shí)現(xiàn)左?！骱w的聯(lián)通，對(duì)左海進(jìn)行清淤，最終達(dá)到水位一致。

4.1 水下清淤測(cè)量方案

本次左海清淤工程整個(gè)水域面積達(dá)到110 000m2以上，通過(guò)對(duì)收集到的測(cè)區(qū)外業(yè)踏勘情況和資料進(jìn)行分析，同時(shí)參考水下地形測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，決定采用網(wǎng)絡(luò)RTK+數(shù)字測(cè)深儀的方式進(jìn)行湖底標(biāo)高測(cè)量。根據(jù)測(cè)區(qū)地形圖和測(cè)量范圍，設(shè)計(jì)規(guī)劃測(cè)量航線(xiàn)、檢查線(xiàn)、組織外業(yè)施測(cè)。外業(yè)實(shí)際測(cè)量時(shí)RTK直接利用FZCORS系統(tǒng)，將采集到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換到福州城市地方直角坐標(biāo)系上，避免內(nèi)業(yè)進(jìn)行二次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。外業(yè)采集的高程需要進(jìn)行高程異常改正才能達(dá)到土方測(cè)量規(guī)范的要求，因此，需要利用福州市似大地水準(zhǔn)面精化(FZGEOID)模型解算高程異常，此項(xiàng)工作需要在內(nèi)業(yè)進(jìn)行事后改正。

4.2 數(shù)據(jù)采集

具體采用GNSS綜合服務(wù)系統(tǒng)(FZCORS)和華測(cè)X91型GPS接收機(jī)配合南方SD-28D雙頻測(cè)深儀進(jìn)行湖底淤泥面標(biāo)高的三維數(shù)據(jù)采集。將GPS接收機(jī)、雙頻測(cè)深儀、隨機(jī)電腦用電纜進(jìn)行連接，同時(shí)配上蓄電池保證電源的供應(yīng)。GPS接收機(jī)和換能器需利用繩索固定在測(cè)量船上，確保在航行過(guò)程中不發(fā)生偏移，量取GPS天線(xiàn)至換能器底部的實(shí)際高度，設(shè)置好CORS參數(shù)后，配合事先導(dǎo)入好的測(cè)區(qū)地形圖和規(guī)劃航線(xiàn)，利用南方水上自由行軟件按2m步長(zhǎng)進(jìn)行水深數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中至少需要2名工作人員，其中1人負(fù)責(zé)筆記本電腦操作GPS和測(cè)深儀，監(jiān)視采集的測(cè)深數(shù)據(jù)是否有漂移現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)RTK連接是否正常，指揮船只駕駛員沿既定的航線(xiàn)行使。

因靠近湖岸邊樹(shù)木較多，遮擋嚴(yán)重，無(wú)法接收到CORS差分信號(hào)，定位誤差較大，故采用全站儀配合測(cè)深桿的方案，用傳統(tǒng)極坐標(biāo)采集的方式獲取沿岸一測(cè)的湖底標(biāo)高數(shù)據(jù)。

4.3 清淤量計(jì)算

將外業(yè)采集到的測(cè)深數(shù)據(jù)，按照航線(xiàn)導(dǎo)出DAT格式，并利用似大地水準(zhǔn)面精化模型對(duì)高程進(jìn)行高程異常改正，獲得最終的三維湖底標(biāo)高數(shù)據(jù)。

清淤量計(jì)算采用5m方格網(wǎng)法計(jì)算，按照甲方提供的清淤方位線(xiàn)，在地形圖上重新繪制完整的計(jì)算范圍線(xiàn)(閉合)，利用CASS7.1軟件方格網(wǎng)法土方計(jì)算功能進(jìn)行清淤量計(jì)算，計(jì)算時(shí)將清淤前的原始標(biāo)高和清淤后的湖底標(biāo)高分別作為原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)面數(shù)據(jù)導(dǎo)入，方格網(wǎng)寬度按照甲方要求設(shè)置為5m。其中，設(shè)計(jì)面應(yīng)按照實(shí)際測(cè)得清淤后數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，需要事先將清淤后標(biāo)高數(shù)據(jù)建立DTM模型，存為三角網(wǎng)文件(*.sjw)，以此文件作為設(shè)計(jì)三角網(wǎng)文件。設(shè)置好計(jì)算參數(shù)后，軟件自動(dòng)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行自動(dòng)5×5m格網(wǎng)劃分，并計(jì)算出每個(gè)格網(wǎng)的填挖方量，最終統(tǒng)計(jì)出全部格網(wǎng)的填挖方數(shù)據(jù)，匯總得到完整的清淤工程量。

圖3 湖底標(biāo)高測(cè)量工程圖(局部)

圖4 清淤土方量計(jì)算圖(局部)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)福州左海公園3個(gè)主要內(nèi)湖進(jìn)行湖底勘測(cè)，利用網(wǎng)絡(luò)RTK和數(shù)字測(cè)深儀相聯(lián)合的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速獲取湖底三維地形數(shù)據(jù)的測(cè)量方式。采用新的測(cè)量手段大大提高了作業(yè)效率，為內(nèi)業(yè)部門(mén)和設(shè)計(jì)方爭(zhēng)取更多時(shí)間，節(jié)約測(cè)繪成本，同時(shí)也為開(kāi)展水下地形測(cè)量提供新的解決方案。在此次水下勘測(cè)任務(wù)中，獲得了城市內(nèi)湖水下勘測(cè)的有益經(jīng)驗(yàn)：

1)基于FZCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK聯(lián)合數(shù)字測(cè)深儀集成技術(shù)，與傳統(tǒng)RTK模式相比，在效率上有明顯提高，節(jié)約人力成本，尤其適用于城市內(nèi)湖等水域面積較大的開(kāi)闊水域。

2)城市內(nèi)湖多為人工湖，湖底地形較為平緩，采用方格網(wǎng)法計(jì)算清淤方量更為精確，為保證內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)量滿(mǎn)足要求，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)可進(jìn)行適當(dāng)加密，采用事后抽稀的方式，獲得最終湖底標(biāo)高。

3)數(shù)字測(cè)深儀的測(cè)深精度與信號(hào)反射直接相關(guān)，水下環(huán)境復(fù)雜且不可見(jiàn)，因此，在進(jìn)行實(shí)際作業(yè)前，需要對(duì)測(cè)深儀的測(cè)深數(shù)據(jù)和實(shí)際深度進(jìn)行對(duì)比，調(diào)節(jié)測(cè)深儀的信號(hào)頻率，根據(jù)水深回波信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整，確保實(shí)際測(cè)量時(shí)能夠獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

4)根據(jù)采集的湖底大地坐標(biāo)，利用似大地水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行高程異常改正，可快速獲取正確的湖底高程數(shù)據(jù)，節(jié)約外業(yè)時(shí)間和縮短作業(yè)周期。

該作業(yè)模式不僅可在城市內(nèi)湖清淤中應(yīng)用，在城市內(nèi)河、港口疏浚工程，以及日常航道的維護(hù)管理中都可以應(yīng)用。

[1] 李征航,黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005.

[2] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB12327-1998海道測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999:405-408.

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The Application of FZCORS and Digital Sounder Integrated Technology in Urban Lake Dredging

LIANG Zhao-yang

(DepartmentofRoadengineering，F(xiàn)ujianChuanzhengCommunicationsCollege，F(xiàn)uzhou350007，China)

Underwater topographic map plays an important role for city construction，channel dredging，lake dredging.This paper introduces the basic principles and the components of global navigation satellite system in continuously operating reference station system in Fuzhou city(FZCORS)，the technology integration of Network RTK model and digital depth sounder，the basic principles on square grid earthwork calculation method.Taking Zuohai lake dredging in Fuzhou as an example，discusses the application of FZCORS and digital depth sounder integrated technology in urban lake dredging，and draws some conclusions of this technology.

CORS；digital depth sounder；network RTK；earthwork；dredging

2017-03-01

梁昭陽(yáng)(1985-)，男(漢)，福建三明，碩士，工程師 主要研究工程測(cè)量。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.023

P229

A

1009-8984(2017)02-0096-04