浅谈疏浚工程定位测量技术与应用

张明浩

摘要：疏浚工程水下测量基本上均采用“GPS+計算机（含数据处理软件）+测深仪”的测量模式。介绍GPS-RTK及数字测深仪结合组成的水下地形测量系统的工作原理，利用该系统作业时的外业数据采集、内业数据处理的过程，对测量技术与应用做简单阐述，并总结相应的经验来指导今后的工作。

关键词：GPS技术;水下地形测量;外业施测;测量数据后处理

水下地形测量是疏浚工程的重要步骤，其主要包括定位及测深两大部分。传统的水下地形测量方法主要是采用经纬仪配合测距仪、经纬仪交汇、全站仪获取水下地形点的平面位置，然后利用测深杆法、测量锤法和回声测深仪法等获得该处的水深，从而获得水下点的三维坐标。但上述传统方式容易受仪器精度、距离、天气、通视及通讯等条件的限制，工作效率很低。由于受水流、测量船体的非线性运动以及测量人员的熟练程度和配合因素的影响，断面点定位精度不高，严重影响断面测量的质量。近年来随着GPS-RTK技术的发展，水下测量技术取得了相应的进步，已趋于成熟。GPS-RTK配合测深仪技术简单、方便、快速、高效、可以全天候作业、提高测量精度，适用于面积较大、地形复杂、较深的水域，在疏浚工程中起到了举足轻重的作用

一、GPS-RTK配合测深仪水下地形定位测量技术原理

对于疏浚工程，水下地形测量就是测量水底表面高程，其测量方法基于GPS-RTK技术和数字测深技术的原理。目前水上定位基本采用RTK、RTD、CORS等技术。一套GPS、测深仪器、手提电脑和应用软件就组成了一套完整的水下测量设备。以RTK定位模式为例，水下地形测量包括以下几个部分：

1.水下地形测量的软硬件配置为：RTK测量基准站、GPS流动站、测量船、测深设备、海洋测量软件、计算机、电源等，如图所示。

水下测量软硬件配置图

2.测区控制点成果收集、分析，收集分析测区控制点成果，包括平面、高程系统、等级、控制点的精度储备等。

3.GPS-RTK技术及测深设备的使用

GPS-RTK与数字测深仪组合成一个水下地形测量系统，来获取水下地形点位的三维坐标。其工作原理是：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，同时布置在一条小船上，保证RTK的数据与测深仪的数据同步传输到PC。作业时流动站根据基准站通过电台发送的改正数据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改平面位置处的水深数据发送到PC，PC根据观测的水面高程计算出该平面位置处水下点位的高程坐标，与RTK获得的平面坐标一起组成水下点位的三维坐标。

水底三维测量见下图示：Ht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地面的距离。即测深仪所测得的深度，则水底地面高程为

H=Ht-L-h

水底三维测量示意图

用竖直波束回声仪进行水深测量是目前水深数据采集的主要手段，它安装在测量船底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v在水中传播到水底后产生回波，回波被接收换能器所接收，发射声波与接收回波的时间为t，则换能器表面至水底的距离（水深）为：

Z = 1/2·vt

回声测深原理示意图

二、疏浚工程外业施测

1.求解测区坐标值的转换关系与设备的初始化设置

观测前先对已知等级控制点进行校正，以求出WGS84坐标系到当地坐标系转换参数。GPS流动站设置船台上，测深仪主机通过连接线与GPS接收机相连，在测深仪软件中，正确输入当地WGS84坐标系与所采用当地坐标系的转换参数。

2.设备安装

测深仪换能器安装部位选择在距离测量船首的1/3～1/2船长处，换能器放入水中的深度大致在0.5～1.2m范围内。GPS天线就安装在换能器安装杆的顶部，这样定位的坐标与测深位置为同一位置。测深仪主机放在驾驶仓中，通过数据线与换能器相连，再利用HD-27随机海洋测量软件，把GPS连到测深仪后面的串口（COM1或COM2）上，正确设置好换能器吃水深度、GPS天线中心到水面的距离、声速等各类参数。

3.测深仪与GPS-RTK联合数据采集

测深软件获取水深值由测量软件直接调用，实现零延迟传送，水深和定位达到了同步。左边窗口为测深仪窗口，在测深时，系统开始发射和接受，并显示回声图像，水深输出口也有相应格式的水深输出，输入文件名，系统会自动根据日期，生成一个不重复的文件名。右边窗口为测量导航窗口，正确设定好GPS参数，有效定位解限制（单点定位、时时差分、RTK固定解），一般设为RTK固定解。开始测量，根据计划指导测量船的航行方向，并同步采集记录测量数据。

三、疏浚工程测量数据的后处理

外业测量要根据不同的工程项目进行调整，首先对测量的测图比例的选择范围进行确定，有时要根据施工要求以及施工用途对测图比例尺进行适当的调整并说明情况。工程项目的类别及测图的比例尺要求一般分为以下几种情况：

[工程项目类别＼&比例尺选择范围＼&说明＼&航道＼&1：2000～5000＼&1.所测的断面间距要满足质量检验评定标准的要求＼&港池＼&1：1000～2000＼&2.要考虑到工程的性质、规模大小、设计要求及施工类型＼&泊位＼&1：500～1000＼&3.符合底质情况对断面间距的要求＼&吹填区＼&1：500～2000＼&4.符合工程承包合同的要求及吹填区的算量要求＼&]

测图比例尺确定以后就可以到施测区域进行测量作业。作业完成执行“水深采集取样”模块，出现水深编辑图，打开原始水深文件，出现水深水位线。根据测量实际情况对原始数据进行编辑，以进行各类改正并提出粗差。运用自动化成图设备进行出图，加密出图不会造成工程量增加，因为我们成图的测点间距以图上1cm为宜。

随着科技的发展，利用GPS-RTK 配合测深仪进行水下地形测量将有更广阔的前景。只有不断通过疏浚工程水下测量实践，才能积累的经验，总结更好的工艺和方法，指导今后的水下地形测量工作。