浅析GPS-RTK在水下地形测量中的实际应用

文/叶慧芳 朱伟锋 丁旭华

浅析GPS-RTK在水下地形测量中的实际应用

文/叶慧芳 朱伟锋 丁旭华

随着科学技术的发展，人们越来越注重水资源开发，水域空间的利用。本文结合工程实例探讨GPS-RTK与数字测深仪集成技术在水下地形测量中的原理和作业流程。

水下地形测量 GPS-RTK 测深仪 水下地形测量

1 引言

随着国民经济的高速发展，人民物质文化需求的日益增长，交通、水利等基础设施建设也在飞速发展。近年来我国大规模兴建高速公路、铁路，这就迫切需要水下地形测量提供必要的数据参考。

2 水下地形测量基本原理

2.1 水下地形测量原理

水下地形测量包括两部分:定位和水深测量。随着GPS技术的迅速发展，水下地形测量方法取得了很大发展。目前，水下地形测量通常采用GPS获取平面坐标，测深仪获取深度数据的基本模式。测深仪得到的水深数据，通过对潮位、测船吃水等参数的改正，得到定位点高程。

采用免验潮方法进行水下地形测量，将GPS天线架设在测深仪换能器的垂直上方，高程计算的模型与方法较为简单。水底三维测量如图2-1所示，为GPS-RTK测定的高程；L为GPS接收机相位中心至测深仪换能器中心的距离；h为测深仪换能器中心至水底的距离，即测深仪所测得的深度，则水底高程为：

2.2 GPS-RTK基本原理

RTK（Real Time Kinematie）系统由一个基准站、若干个流动站及无线电通讯系统三部分组成。基准站将接收的所有卫星信息(包括伪距和载波相位观测值)和基准站的信息(如基准站坐标天线高等)通过无线电通讯系统传递到流动站,在接收卫星数据的同时也接收了基准站传递的卫星数据。在流动站完成初始化后,将接收基准站的信息传递到控制器内并将基准站的载波观测信号与本身接收到的载波观测信号进行差分处理,即可实时求得移动站的坐标。

2.3 测深仪基本工作原理

测深仪是一种应用测深原理测量水深的仪器。安装在船上的换能器向水底辐射声脉冲，水底界面将会产生反射，测定水底反射波到达时间t就可以确定水深。下面以回声测深仪为例，简单的介绍一下其原理及功能:船在理想状态下，用安装在测量船下的发射换能器，垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底，经反射或折射返回，被接收换能器所接收。由于发射的声波脉冲有一定的开角，故选定从发射至接收水底回波时间最短的声波脉冲为中心脉冲，设传播时间为t，则换能器表面至水底的距离(水深)H为:

上式中的水中声速C与水介质的体积弹性模量及密度均有关，而体积弹性模量和密度又是随温度、盐度及静水压力变化而变化的。而时间t是仪器测量得到的，一旦声速C、时间t确定后，即可得到换能器到水底的距离，加上吃水改正即得水深。

由于声波在传播的过程中，受水的温度、盐份的影响，在不同的时间、地点，声波的传播深度均不同，也不可能知道。在实际生产上，通常用一个平均传播声速Cm来替代，则:

式中: 和分别表示发射声波和接收回波的瞬间时刻。

2.4 GPS-RTK与测深仪结合测量系统

RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上,另一台或几台接收机置于载体(称为流动站)上,基准站和流动站同时接收同一时间、同一GPS卫星发射的信号,基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较,得到GPS差分改正值。然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站精化其GPS观测值,从而得到经差分改正后流动站较准确的三维坐标。目前RTK在半径10 km左右的范围内平面测量精度一般在2 cm左右,可以采用该技术替代全站仪等设备获取水下点的平面位置数据,再利用数字测深仪获取该位置处的水深,则该水下点的高程:

其中为水下地形点高程; 为对应处的水面高程; 为由测深仪获取的水深。

这样可以把RTK与数字测深仪组合起来形成一个水下地形测量系统,同时来获取水下地形点的三维坐标。该系统具体工作原理是:将GPS流动站的天线与测深仪的换能器安置在同一平面位置,同时布置在一条测船上,保证RTK的数据与测深仪数据同步传输到PC,作业时流动站根据基准站通过电台发送的改正数实时改正自身的测量值获得点位的厘米级精度的平面坐标并实时传送到PC,同时数字测深仪获取该平面位置处的水深数据发送到PC,PC根据观测的水面高程由式2-4即可计算出该平面位置处水下点的高程坐标,与RTK获得的平面坐标一起组成水下点的三维坐标文件。然后将数据导入数字成图软件就可以编辑生成需要的水下地形图。

3 以玉环漩门湾水下地形测量为例的应用分析

3.1 测区概况

玉环县位于浙江省东南端，三面环海，涵盖了5个乡镇、43个村，总面积42平方公里。本次测量范围为水深大于1米的水域部分，面积为20.5平方公里。最深处水深约7米，测区地形自西向东呈浅碟形，东西宽5公里，南北长6.5公里。

3.2 计算坐标转换参数

采用GPS RTK模式定位。为了保证定位精度，无验潮测量时，记录限制设置为“RTK固定解”模式，沿漩门湾周边布设了5个四等GPS控制点、94个一级GPS控制点以及长达50公里的四等水准网。选择坚实稳固、地势高的已知点安置基准站，使用高功率电台、高增益电线来增大作业半径。在测区内选取均匀分布的15个一级GPS控制点作为较正点，以有效控制测区。利用最小二乘法求解WGS84坐标系到当地坐标系的转换参数，选择残差小，精度最高的一组参数做为整个测区的启用参数。

3.3 野外数据采集

水深测量选用上海华测导航技术有限公司生产的D330单频测深仪测定，该测深仪标称精度为±1cm±1‰水深。采用“华测X93双频GPS接收机+HydroSurvey导航软件+华测D330单频数字测深仪”实时采集水下地形点的三维坐标。将测量船上流动站的GPS接收机的数据输出格式设置为NMEA-0183，以便导航软实时接收定位数据。

在测量软件中正确设置换能器的吃水深度、GPS天线中心到到水面距离、声速、发射脉宽、抑制脉宽等参数。在HydroSurvey导航软件中正确输入测区的转换参数，将GPS有效定位解限制设为RTK固定解。测试导航软件与测深仪、GPS接收机之间的通信是否正常。使用比对板在不同水深对测深仪的测深数据进行比对，在比对符合要求后，按照计划线进行数据采集。

3.5 数据处理及成图

数据处理主要包括定位数据处理，声速剖面数据处理，潮位数据处理，姿态数据处理，深度数据处理和数据编辑、去噪、合并、清项；成图层处理是对预处理后得到的水深数据进行网格化，生成数字地形模型（DTM），形成水下地形图。本次测量使用HydroSurvey对所采集的数据进行水深取样分析、剔除GPS或测深仪跳变误差、合并GPS-RTK水面高程与测深数据，形成测图所需要的水下地形点三维坐标，将三维坐标导入南方CASS7.1数字成图软件，自动生成等深线。

4 结语

通过对玉环漩门湾水下地形测量实例的研究，GPS-RTK与数字测深仪相配合进行水下地形数字化测量，不仅加快了作业的速度，而且提高了测量的精度，为水下数字测量乃至测绘领域带来了一次新的重大革命。同时也促使测绘工作者在外业作业手段、工作方法和数据处理方面必须做相应的改革，随之引发了的一些新的技术问题亟待解决和进一步探索。

[1] 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理，2005年，第一版.武汉大学出版社，2005.

[2] 汪志明.差分GPS和测深仪组合系统在水下地形测量中的应用研究.武汉大学硕士学位论文，2003.

[3] 赵军.利用GPS RTK技术进行水下地形测量.城市勘测，2005（6）.

[4] 王守彬，王新洲，刘晓东. GPSRTK与数字测深集成技术在水下地形测量中的应用.测绘信息与工程,2004.

（作者：叶慧芳 浙江省测绘大队；朱伟锋 浙江华东测绘有限公司；丁旭华浙江省测绘资料档案馆）