基于GPS-RTK与测深仪在水利测量中的应用

王春林 吴大国 彭建和 李书群

基于GPS-RTK与测深仪在水利测量中的应用

王春林1，2吴大国1，2彭建和1，2李书群3

本文以合肥市某河道治理为例，主要针对河道水下测量进行分析，对河道进行河底高程的测量。经过成果精度分析，将GPS-RTK结合测深仪运用于水下测量项目中，不仅满足项目实际需要，极大地降低作业劳动强度，提高生产效率，还为其他测量项目提供成功案例，服务于城市基础测量。

一、GPS-RTK与测深测量技术

1.GPS-RTK测量技术

GPS-RTK测量技术是一种实时动态差分定位技术。RTK是建立在对空接收卫星信号的基础上，采用伪距测量模式或者载波相位测量模式，以距流动站一定距离范围内，架设基准站不间断实时接收卫星信号，并将实时差分数据通过电台或者GPRS网络传输给流动站，使流动站能够准确定位。由于此技术原理是基于默认基准站上空电离层等模型与流动站上空一致，拥有相同的差分改正模型，故使用此项技术需要基准站距离流动站不能太远，以免产生大的误差。GPS-RTK测量系统主要包括基准站接收机、电台、移动站接收机。由于新技术的发展，RTK作业也由单个基准站向网络RTK方向伸展。目前，全国各省市相继建立了各自的CORS（连续运行参考站）系统，使得作业范围大大增加。考虑到本文案例中作业范围较小，故直接使用传统RTK作业模式。

2.测深仪测量技术

测深系统主要的组成部分包括工控电脑、水深采集软件、测深仪。测深仪分为单频和双频两种。测深系统为了能够使换能器产生的蜂鸣噪音得以降低，具有变频功能，还能够使回声强度增强。有些测深系统能够进行断面设定，其测量可以沿指定断面航线来进行，这主要是由于这些测深系统具有导航测深功能。由于水利工程地形看不见起伏，不像陆上地形测量可以选择地形特征点进行测绘，只能用测深线法或散点法均匀地布设一些测点。所以一般根据任务书的要求和测区实际情况，设计合理的测量航线。航线设计应注意几点：

①测线间距。在计划测线间距时，要考虑避免出现空白和重叠，关键的区域要加密测线。

②测线方向。选择合理的方向能精确地绘出等深线。测线方向应当尽可能垂直于预计的等深线。

船台（流动站）要固定好GPS卫星接收天线、无线电接收天线和测深仪换能器，连接好测深仪、GPS和计算机之间的连线，风浪大的区域要使用波浪补偿仪消除纵横摇的影响。在测深软件中设置好仪器端口，输入正确的投影参数，正确驱动换能器和GPS。

二、GPS-RTK结合测深仪测量原理

GPS-RTK结合测深仪在河道水下测量定位点的坐标与高程，在测深仪换能器的正上方安装GPS-RTK流动站的天线，在测量过程中保证GPS天线中心与测深仪测量中心在一条铅垂线上，保证测量的点位和测深仪测量的水下点位在同一铅垂线上。在测量过程中，对换能器底部坐标、高程用GPS测定时，定位点的水深能够通过测深仪测定出来，水下定位点的高程就是用GPS测量的高程与测深仪测量的水深之差，换能器的坐标也就是定位点的坐标。在RTK作业模式下GPS可以实时获取待测点位的坐标高程，定位精度可达到厘米级。通过测深软件来控制测深仪的定位时间与GPS的定位时间的延迟，控制GPS数据采集与测深仪测深的软件应该装在计算机上，从而使GPS数据采集与测深仪测深的同步能够得到控制。在测量过程中，测得的数据主要是通过工控电脑显示在工控电脑显示器上，采集数据的稀疏程度可以通过工控电脑来判别，并且导航还可以根据相应的软件来进行，从而使测量数据在测区范围内得以保障。测深软件会实时显示测量路线以及船体的航向，以便随时做出调整。

三、GPS结合测深仪实施水下测量

本文案例采用两台IRTK2型GPS接收机和一台HD310测深仪，一台GPS接收机作为基准站，一台GPS流动站和一台测深仪集成在一起绑定在船体周边。

1.GPS坐标参数转换

GPS测得的坐标为WGS-84坐标，而本文案例河道所采用的坐标为北京54坐标，因此需进行参数转换。由于本次河道范围较小，总长约3km，故采用四参数转换。首先，在河道上游和下游端，选取3个已知点，分别为S1、S2和S3，点号坐标见表1。

然后，在河道中间位置选取某个高点（无需架设在已知点上），架设基准站，并设置好相应基准站频道链接。安装好RTK流动站,根据基准站信号频道，设置好相应链接，接收基准站发射的差分信号，如解为固定解，则说明基准站已成功发射差分信号，流动站也成功接收差分信号。

最后，在S1和S2已知点上，架设流动站，对接收的卫星数据进行平滑处理，得到S1点和S2点的WGS-84坐标，并将S1点和S2点的WGS-84坐标和北京54坐标根据相应数学模型，进行四参数转换，得到已知点的四参数。其中，尺度因子需达到0.9999 或1.000级别，才说明此参数精度合格，否则需重新采集点位数据进行参数转换。将转换后的参数输入到流动站接收机中，并对S3点进行校核，校核后即可使用流动站进行坐标测量，坐标系即为项目需求坐标系。

2.GPS结合测深仪测量

将RTK流动站与测深仪集成在一起，并绑定在船体的周边，进行高程换算后，流动站手簿采集的数据即为河底高程数据。

本文案例测深软件采用“Haida海洋测量软件”。测深软件自动同步定位、导航和采集水深。为了消除工控电脑和GPS时钟误差，测深软件的定位、导航和采集水深的时间统一为GPS的时钟时间。流动站天线到水面高和天线偏差每天作业前均用小钢尺精确量取，并设定到测深软件（在测深仪的随行电脑中）和RTK手簿中，同时岸上用架设在已知点上的全站仪测定水面高程，与测深软件测定的水面高和RTK测定的水面高进行比对，再用测尺测定水深，与测深仪测定的水深进行比对，所有比对结果一致后才开始作业。水下数据采集为每10s一组，然后内业进行数据筛选。为了保证水面高程测定的精度和可靠性，每天水下测量的同时在岸边进行全站仪直接验潮，由于此次河道为城市内河，范围较小，两端均有拦水坝，水面高程受潮汐影响较小，因此在水下作业开始前5min进行测定一次水面高程，到水下作业结束后再测定一次高程，中间过程无需测定。水下测量数据采集的数据转换采用“Haida海洋测量软件”转换成“南方CASS成图系统”软件的数据格式，进行数字化成图。具体成果见图1。

3.RTK作业精度测试

RTK作业精度检测采用已知点检核。已知点检核分别对测区内的3个已知控制点进行了检测（见表2），经统计：

经过系统对3个已知点检核，测试点均匀分布在基准站周边范围内，平面精度满足线路测量精度要求，说明结果有较好的内符合精度和较好的稳定性。由于此次水下测量对于高程精度要求在厘米级即可，故运用RTK技术进行河底坐标的测量，符合项目需求。

四、GPS结合测深仪应用总结

表1 已知点坐标表

表2 已知点检核表

经过此次水利测量项目验证，结合中小城市实际条件运用GPS-RTK结合测深仪测量模式具有明显优势。

1.优缺点比较

传统的水下测量模式由传统的经纬仪或者全站仪，配上水准仪和测绳，其缺点不言而喻，具有工作效率低、成果精度低和工作成本高等缺点。

GPS-RTK结合测深仪测量模式具有以下优点：

（1）具有很高的平面定位精度和较高的高程定位精度。其中，平面定位精度可达毫米级，高程定位精度可达厘米级，在水利测量中，符合大部分的工程项目需求（除了少数要求极高精度的水利工程项目）。

具有较高的工作效率。传统的水下测量需要大量的人力、物力进行工作，而GPS结合测深仪测量模式完成整套数据采集工作仅需要几个人即可完成，并且劳动强度远远低于传统水下测量。

水面变化但是水下地形点高程是不受影响的，其获取可以通过设置直接实现。而传统的水下测量模式随着水面变化期高程也会变化，这样处理起来比较困难，而且也影响测量精度。

GPS结合测深仪测量模式不受环境和时间限制，可以实现全天候的作业。

2.注意事项

图1 水下测量数字化成果图

由于测深仪是绑定在船体周边，这就要求在航行过程中，尽量保证船体的稳定性，如在河流流速较缓、河道较窄的河流中，宜采用较为轻便的船只；如在河流流速较快，河道较宽的河流中，宜采用自身重量较大的船只。

在数据采集过程中，要定期对GPS流动站进行校核，确保测量数据的准确性。对测深仪测得的水深数据，也需使用测绳定期进行校核，确保水深数据的准确性。

基准站架设位置要求位置较高，但不宜远离测区，卫星接收机上方以及15°仰角范围内应无遮挡，基准站远离高压电线与通讯塔，以保证船上的流动站能够实时得到固定解。

在数据采集的过程中，在工控电脑上必须设置只有在RTK为固定解时，并且测深仪数据显示正常的情况下，才能对数据进行存储。

五、结语

实践证明，运用GPS-RTK结合测深仪测量模式可以很好地完成大部分水利工程项目。不仅提高了工作效率，降低了工作成本，还极大地减轻了测量人员的劳动强度，节约了人力、物力和财力，使工作人员从繁重的重复劳动中解脱出来。由于此次工程项目工期紧，模式应用还有诸多不足，如未考虑不同河湖、不同水体环境等，在以后的测试应用中，将逐一弥补不足，使此种测量模式日趋完善

（作者单位：1安徽省·水利部淮委水利科学研究院 233000 2安徽省建筑工程质量监督检测站 230000 3.合肥学院 230000）

（专栏编辑：张 婷）