基于RTK数字测深仪的水库容量计量研究

基于RTK数字测深仪的水库容量计量研究

买买提·塔什

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎车844700)

摘要：水库情况调查是我国水利普查的重点任务。乌鲁木齐共有32座水库，由于库底地形复杂，人工勘探很难掌握准确的水库容量。人工勘探不仅任务繁重，而且无法得出淤泥淤积量，这就限制了水资源的有效利用。目前，国外一般采用卫星定位和探测仪对水下地形进行勘探，勘探工作主要包括定位和探测。本文基于国内外研究现状，提出一种利用网络RTK(实时动态差分法)的数字探测技术，快速获得水下地形参数，并利用有限元软件构造精准的三维水下模型，从而有效地对水库容量进行计量。希望对今后水库容量的计量研究提供理论依据。

关键词：实时动态差分法；水库容量；计量；探测

中图分类号：TV697.3

Research on Reservoir Capacity Measurement Based on RTK Digital Sounder

Mamat·Tash

(TarimRiverBasinKashiAuthority,Shache844700,China)

Abstract：Reservoir condition survey is an important task in water census in China. There are a total of 32 reservoirs in Urumqi. Accurate reservoir capacity cannot be easily mastered by artificial exploration. Artificial exploration not only leads to arduous task on one hand, silt deposition amount cannot be obtained, thereby limiting effective utilization of water resources. Currently, satellite positioning and detector are generally adopted in foreign countries for exploring underwater terrain. Exploration work mainly includes positioning and detection. In the paper, a digital detection technology utilizing network RTK is proposed based on current domestic and foreign research status. Underwater terrain parameters can be rapidly obtained. Finite element software is utilized for constructing accurate three-dimensional underwater model, thereby effectively measuring reservoir capacity. It is expected that it can provide theoretical basis for measurement study of reservoir capacity in the future.

Keywords：RTK; reservoir capacity; measurement; detection

水库情况调查是我国水利普查的重点任务，乌鲁木齐共有32座水库，是新疆水利普查工作的一部分。通过水库容量探测可以准确掌握水库的基本情况，为该市的经济发展提供水保障，但由于库底地形复杂，人工勘探很难掌握准确的水库容量。目前，国外一般采用卫星定位和探测仪对水下地形进行勘探，勘探工作主要包括定位和探测。随着空间定位技术的迅速发展，RTK技术逐渐被应用到水利测绘中，其基本思想是：将GPS信号接收机安装在地表的基准点，其可以跟踪视野内一定角度范围的所有卫星，使未知点的接收机实现同步观测[3-4]。RTK测量原理见图1。

图1　RTK测量原理

从国内外的研究进展来看，水下地形勘测主要经历了原始水下测量阶段、传统水下测量阶段、数字化测量阶段。数字化测量具有探测深度大、后期数据处理简单的特点，但是当水库中水草较多时，声波很难做到精准测量。此外，声波对淤积层的穿透能力较弱，无法获得准确的淤积厚度。本文提出一种利用网络RTK的数字探测技术，快速获得水下地形参数，并利用有限元软件构造精准的三维水下模型，从而有效地对水库容量进行计量。希望对今后水库容量的计量研究提供帮助。

1定位机理及系统组成

RTK技术的基本思想源于GPS定位技术，由卫星发射带有卫星位置的电文信号，用户使用的接收机可以同时接收3颗以上卫星的电文。根据电文信号测量出测点P到这些卫星的距离，并利用距离交会求解出P的坐标。图2为测量原理示意图。

图2　RTK技术测量原理

假设3颗卫星的编号分别为S1、S2、S3，其与P点的距离分别是P1、P2、P3，3颗卫星的坐标分别是(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)、(X3，Y3，Z3)，则根据交汇法求P点坐标(X，Y，Z)的方程组为

伴随着RTK差分法的发展，21世纪以来，CORS技术开始被用于卫星定位领域，其是GPS的高级发展阶段。CORS技术用于全球定位系统综合服务应用，由基准站、无线电发射塔、网络、路由器、硬件防火墙、交换机、服务器等设备组成，系统结构见图3。CORS技术功能强大，可以满足不同客户需求，既可满足商用又可满足气象等研究领域。CORS技术作业时，参考站将原始数据通过网络传输给控制中心，控制中心根据用户提供的概略坐标捕捉并计算出实际位置。

图3　CORS技术系统结构

本文应用的网络RTK技术就是基于CORS技术实现的，将卫星定位、云存储、数字通讯集于一体。网络RTK技术使水库容量测量工作成为一个整体，测量精度和可靠度较传统RTK技术进一步提高。

2水库地形数据采集

2.1水上测量

按照测绘方案，将库岸线按照1∶500的比例绘制工作地图，利用网络RTK技术实时测量库岸线高程。数据采集时，在三级导线以上的控制点设置监测站，测量方法与图根控制测量方法相同。

高程的基准点选取水面距离库岸最小点，该点为库岸的最低点。利用网络RTK技术确定高程基准点的坐标位置，并依据该点进行数据采集。

获得RTK网络技术测量的数据后，要及时根据工作地图上的数据进行校验。认真分析误差原因，对于偏离实际情况较大的点要进行二次测量。对于无法利用网络RTK技术测量的点，直接使用差分法和交会法进行求解。

2.2水下测量

对库岸进行测绘之后，利用库岸完成地形图，为水库库底地形测绘工作奠定基础。水下地形测量采用网络RTK技术与数字探测仪相结合。测绘员首先将库岸地形导入电脑，按照测绘要求绘制测线，利用网络RTK技术进行定位，指导测量船只沿着测线行驶。在测量船只上可以清楚地显示航行速度、水位深度、船只位置，并可以得知RTK是否定解。数字探测仪通过探头向水库底部发射超声波，利用发射声波与声波返回的时间差计算水库深度。由于超声波速与水的温度和压力有关，因此勘测时要对波速进行校正。水深测量系统方框图见图4。

图4　水深测量系统方框图

由于水面在不停波动，这就给传统的测量水位手段造成很大误差。但是，由于RTK技术的定位速度很快，GPS的高程值也在动态变化。波动时探测仪的水深也随高程值的变化而变化，因此水面波浪不会影响测量精度。当测量船只发生倾斜时，GPS系统测得的湖底高度会有误差，因此测量中应该尽量选择大型船只，降低倾斜造成的误差。

3水库库容计算

目前，传统的水库库容计量方法不外乎断面法、等高线法、三角网格法、方格网络法等。

断面法在水库容量计算中应用较为广泛，但是也存在一定不足，其只适用于槽式水库容量计算。断面法将水体分割成n个梯形截面，整个水库容量被分成n+1份，库容计算公式为

式中Si——第i个截面的面积；

ΔLi——第i截面到第i+1截面的间距。

等高线法的精度比断面法稍高，计算时将整个水体按照不同高程分成n个梯形体，整个水库容量由梯形体求体积分得到。其计算公式为

式中Ai——第i个截面的面积，A0=0；

Δhi——第i等高线到第i+1等高线的高程差。

三角网格法基于水库高程模型，将实际水体微分成n个三棱柱，求解每个柱体体积，体积和即为整个水库库容，其计算公式为

式中Ps——单个网格的面积；

H——指定水位高程；

hi——三角形网格角点的高程。

基于三角形网格，利用有限元软件构造三角锥计算网格，利用水平面与三角锥面的运算得出体积差，体积差即为水库容量。此方法中的三角锥体积是通过微分法精确得到的，其精度比三角形网格法高。

MATLAB软件计算流程如下：

a.首先将网络RTK技术与数字探测仪测得的水库底各坐标和高程值导入软件中，建立高程三维曲面。

b. 数据导入完毕后，由软件自动生成三角锥形网，并根据需求生成曲面的等高线，软件生成的三维曲面见图5。

d. 利用测得的水面高程值和水线生成水面曲面，利用库岸线生成库岸曲面，利用三个曲面计算得到水库库容和水容积。

参考文献

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