GPS RTK技术联合数字化测深仪在水下地形测量中的应用

马成武，赵红旭，陈和权，豆泽军

（中水东北勘测设计研究有限责任公司工程测绘公司，吉林长春130062）

水下地形图不仅在水利水电工程勘测设计中是非常重要的基础资料，而且在监测桥梁的安全、观测水库的淤积、防洪抗旱、河道治理等许多方面都有极大的用途。

水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。传统的水下地形图测量方法是：定位测量采用经纬仪交会法、经纬仪配合测距仪极坐标法、全站仪方式等获得平面坐标；测深利用测深杆法、测量锤法（又称铅鱼）和回声测深仪等获得该平面位置处的水深，从而推算出该位置的水下高程。随着全球定位系统GPS技术的日益成熟，尤其RTK实时动态定位系统以其高精度、高效率、易操作的特点广泛应用于各种测量和放样，使用GPS RTK技术进行水下地形测量就比较方便、快捷了。

近年来，中水东北勘测设计研究有限责任公司工程测绘公司在吉林省丰满水电站库区、甘肃省刘家峡水电站库区的水下地形测量和水下纵、横断面测量工作中，使用上海华测导航技术有限公司的产品华测X90系列双频GPS接收机、CHS-29型测深仪，取得了较好的测量效果，充分发挥了GPS RTK技术的定位功能和线路放样特长，在提高测量成果精度的同时，使水下地形测量工作效率得到大幅度提高。

1 工作原理

水下地形测量中，测深仪的工作原理是利用超声波穿透介质并在不同介质表面会产生反射的现象，利用超声波换能器（探头）发射超声波，测出发射波和反射波之间的时间差来进行测量的。声波在水中的传播速度为V，换能器（探头）发出超声波，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收，测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则Z=Vt/2；同时根据探头上固定杆的刻度可获知水面与探头之间的距离，即吃水深度，两者之和即为最终水深值。

目前我国大量使用的是单波束回声测深仪，单波束回声仪每次只能发射一束声波，只能得到一个水深数据点，通过连续测量、记录，最后以点连线。另外，如利用单波束回声仪测量一个地区的水下地形，须先根据测图比例和规范要求，预先确定测点和测线的间距，再用测量船逐线逐点进行连续测量，并通过内业处理和绘制水深图。然后还可根据水深图来绘制水下地形等深线图或断面图。如果将测深仪与GPS技术相结合，利用现有的测量导航软件、数据后处理软件组成自动化水深测量及成图系统，外业水深测量、导航、数据采集过程可完全实现自动化。若配合水深测量数据后处理软件，将大大提高了水深测量的工作效率和经济效益。

与传统的水下地形测量方法相比，GPS RTK技术联合数字测深仪进行水下地形测量的方法除了配备测量船只、测深设备外，还需至少2台GPS（能实施RTK技术）接收机相配合进行作业。外业工作时，1人驾船、1人操作测深仪测深、1人操作GPS接收机进行定位测量。

实际作业过程大体上可以分为前期准备工作、外业数据采集、内业数据分析3个部分。

2 前期准备工作

1）物质准备。与陆地RTK测量不同，需要另外准备12 m或18 m串口数据线、计算机及相应设备（计算机需要配备2个串口和1个USB口）、电瓶2个、稳压充电机2台、UPS或相关稳压设备、GPS外接电源线。

2）架设基准站。①如果基准站需要24 h工作，可以使用稳压充电机（12 V）对电瓶边充电边使用；②启动基准站需要用手簿启动，最好把基准站的坐标记录下来；③自启动基准站，每次都需要进行控制点的校正。在已知点或是固定点上启动基准站，此时需用手簿启动基准站保证每次基准站发送的是同一坐标（推荐使用此方式）。

3）求解参数。可以按照华测点校正过程求解出水平平差和垂直平差，也可以求解7参数或3参数。以施工精度等具体情况而定。（说明：如果使用7参数或3参数需要把基准站架设在已知点上，并以已知点的坐标启动基准站）。

4）数字测深仪安装。首先安装、固定换能器，固定换能器位置最好选择在船体的中部船舷旁边，这样可以减少行驶时船首推出的浪涌对探头的影响和干扰。使用船速快的测量船测量时测深杆必须略向后倾斜，需要增加前后拉绳进行加固，因为考虑到水流带来的拖力和船行驶时的姿态是略微向上倾斜的。船速如果越快那么换能器吃水就要相对更深，内河中也要保证大于0.5 m，（要结合杆子的长短和实际作业的需要），安装时测深杆一定要保持垂直，要加固和防止探头松脱掉入水中或者电缆线不慎扯断。在测深仪里面，吃水深度和声速都可以在测量参数界面进行设置，输入软件参数设置。

5）连接GPS。华测CHS-29测深仪，既可以单独作为一套测深仪使用和提供水深数据输出，也可以将水上测量软件加载于测深仪内部，然后外接GPS，起到同时采集坐标数据和水深数据的作用，该测深仪不仅用于测深同时，还起到一台笔记本电脑的功能和作用。

6）把设计好的船形复制在水上软件安装目录中的Boat文件夹中，打开设置中的船形选择，选择设计好的船形即可。

7）设计导入背景图。

8）实施导航定位：把工作方式改为测量方式，就可根据船和计划线的相对关系进行导航定位了。

3 外业数据采集

3.1 准 备

1）连接好仪器，打开GPS电源和电脑，如有其它外设，则要打开它们的电源。

2）将移动站设置好GPGGA数据输出。

3）运行水上测量软件主程序，打开新建的任务。

3.2 设 置

1）记录——记录限制（选择“实时差分”或是“单点定位”）。

2）记录设置。①在“数据记录”页，设置记录间隔；②在“船迹记录”页，设置定位记录方式；③在“记录格式”页，设置记录坐标类型

3）设置接口。①设置定位仪接口；②设置测深仪接口。

4）设置数据格式，定位仪数据输出格式。

5）设置测深仪。①在“数据格式设置”页选择测深仪；② 根据不同类型的测深仪对仪器做相关设置。

6）设置船形指示。

7）设置天线偏差改正数。

8）设置固定差改正数（将求出的固定偏差输入即可）。

3.3 测量

1）记录——开始记录 。输入测线名（测线名有字母、数字组成，不得大于6个字符）。

如果自动记录，做好相关命名格式设置

2）记录——结束记录。

3）文件——退出 。

4）关闭电脑、GPS、外设，结束测量。

4 内业数据分析

在随机 Hydronav软件中的处理栏中有编辑定位文件、编辑水深文件、打印定位文件、定位文件系统差改正、水深文件系统差改正、HTT文件系统差改正、水深取样、水深取样打印、水深散点、测深仪误差改正、动态吃水误差改正、水深文件格式转换、断面资料、水深横断面等工具条。

其中，水深取样是对外业测量数据按自己要求进行取样，并进行初步处理的工具。可以按距离进行取样，在采样间隔中输入距离间隔。可以自动处理，剔除错误数据，也可以手动处理，将错误的数据拖到似等深线上，处理完成后电击重绘。最后保存（⋆.htt）或（⋆.ss）数据。

水深文件改正是将水深文件改正为所需格式的工具，可供选择的格式有“坐标X，坐标Y，深度”等格式。

5 实地测深时应注意的问题

安装探头。在一般情况下，探头应吃水为50 cm以上，1～2 m浅水区可适当设吃水较浅一点；绑探头时应注意与平坦水底相垂直，保证在高船速时探头不出现大的松动，测深时应注意探头的保护，不搁浅、不触礁，及时清理环绕在探头上面的塑料袋等杂物。

正式测深。打开CHS-29软件，观察模拟图象，应为较清晰的波形断面图，如有多条或较杂乱，可适当调低增益，加大信号门槛。

航速不能太快，控制在五节（约2.5 m/s）以下；测量时，应不时观察其数据是否跳动正常（包括定位和水深数据）；在超过一定深度测量时（大于15 m），如报错太多，则需调大增益，加大发射功率和打开发射脉冲。

6 结语

1）首先要对各参数的含义要有深刻的理解，然后要看水质的情况和深度，一般实际水下比较深则脉宽要适当调大，反之则调小，原因是水深则吸收声波能力增强，需增加声波发射时间。

2）发射功率也是随着深度的增加而提高，功率大表明发出的声波振幅比较大，能量也比较大。

3）当水中杂质比较多则将增益稍微调低，因为有效信号受到噪声干扰大，而回波阈值相应也应该调大。

4）如果发现测量的水深的信号错误率比较大，或实际水深发生变化而数据保持不动并相差甚远，有可能是声波的余波造成的，则需要适当的加大抑制脉宽，来消除有效信号时间段以外的无用信号，但是抑制脉宽也不能设置太大，以避免影响了下一次正常的信号。

在实际工作中，根据不同情况通过上述的参数调整，可以去除一些异常的数据、提高水深测量值的准确性。

5）华测CHS-29型测深仪是按新一代全数字化、电脑化产品，具有防尘、防水、抗震功能，是集水深测量、软件图形导航、定位数据、水深数据采集功能一体化的水上测量设备，配合华测集团的水上测量导航软件组成系统化作业，用户就可以借助其强大的系统功能达到高效率、全天候、高精度的水下地形测量，同时也满足疏浚工程测量和水下地形测量的技术要求。

［1］李青岳，陈永奇，等.工程测量学［M］.北京：测绘出版社.1995.

［2］SL197-97水利水电工程测量规范［S］.北京：中国水利水电出版社，1998.