RTK三维多波束水深测量在港珠澳大桥岛隧工程中的应用

潘 满，何 波

RTK三维多波束水深测量在港珠澳大桥岛隧工程中的应用

潘 满，何 波

（中交广州航道局有限公司，广东广州510221）

在港珠澳大桥岛隧工程的深基槽开挖和回淤监测过程中，水深测量精度要求越来越高，常规验潮多波束测量已经无法满足测量精度。文中介绍了RTK三维多波束水深测量系统的组成及测量的基本原理，并以实例分析了RTK三维多波束水深测量的优势，可为深海基槽水深测量提供参考。

深基槽；回淤监测；RTK三维多波束水深测量

1 工程概况

港珠澳大桥岛隧工程地处伶仃洋，施工环境复杂，涨落潮水流急，基槽最终成槽断面非常复杂，横断面设置多种复合边坡（包括1∶2.5和1∶5两级边坡），基槽纵向底部呈W形，设置多个缓坡组合，同时基槽开挖最深深度为47.22m，边坡最浅水深为10m，水深变化大，验收标准高，水深测量关系重大[1]。

岛隧工程的主要工序有基槽粗挖、精挖、清淤、抛石夯平、碎石整平等，各工序质量验收标准要求高，对施工过程中多波束水深检测及监测精度提出较高要求，常规的水深测量模式已不能满足要求。为了提高水深数据的质量和实效性，必须改进传统的测量模式，采用RTK三维水下多波束测量，为工程施工和科学决策提供数据支撑[2]。

2 多波束测深系统的组成

多波束测深系统由多波束探头及控制盒、运动传感器、RTK-GPS接收机、声速剖面仪（包括表面声速仪）、采集电脑、外业采集软件及数据处理软件组成。

2.1 多波束测深仪

采用Sonic 2024多波束测深仪，基于第5代声呐结构开发，波束角为0.5º×1º（垂直航线×沿航线），分辨率高，可以发现水下极小物体，由换能器和SIM控制盒组成。换能器安装在测量船测量井中，可以全自动垂直升降，使用方便，比旁挂式安装更便捷，同时比直接安装在船底安全。接收换能器内嵌入了处理器和控制器，用数据电缆同SIM控制盒完成数据通讯。SIM盒为声呐头提供电源，为连接在其上的其他传感器提供时间标准，传递命令给声呐头和将原始多波束数据发送到数据采集计算机。控制Sonic 2024操作的声呐控制图形用户界面（GUI）是一个绿色软件，可以运行在任何Windows计算机上。Sonic Control控制软件通过以太网与声呐接口单元（SIM）通讯[3]。

通过Sonic Control控制软件，用户可以在200~400 kHz范围内实时选择Sonic 2024工作频率，不需要停机，甚至不需要停止数据记录，就可修改频率。用户还可以选择Sonic 2024的条带覆盖宽度，范围为10º~160º，而波束个数一直保持为256个，改变时也不需要停机或停止数据记录。整个条带扇区还可以实时旋转，以适合特殊测量如码头壁测量的需要。改变条带覆盖宽度和旋转扇区指向的操作都可以通过拖动鼠标实现。

2.2 运动传感器

采用Octans运动传感器，集罗经、运动传感器于一体，可以提供载体真方位角、纵横摇角度、升沉量等有关信息，是当今世界上唯一采用光纤陀螺技术、能同时提供真北方位和运动姿态的固态罗经运动传感器。

运动传感器为系统提供船舶的姿态数据，包括横摇值（Roll）、纵摇值（Pitch）、升沉值（Heave），以便修正因船舶运动引起的水深值变化。

2.3 RTK-GPS

RTK-GPS提供三维定位信息和时间信息，计算多波束脚印在隧道坐标系（TCS坐标系）中的坐标和计算潮位，同时还输出1PPS时间脉冲，实时同步水深数据和其他传感器（GPS、运动传感器）数据时间，消除时间偏差，这也是提高多波束测量精度的重要措施。

为了提高RTK的精度，确保电台信号覆盖整个基槽区域，项目部在基槽西岛附近、中间及东岛附近建了3个RTK单基站参考站，在实际测量时根据测量范围选择RTK参考站，提高定位精度，提供了WGS 84坐标到TCS2010坐标系的7参数转换参数，其中拟合了高程转换，在平面坐标转换时同时实现了基于WGS 84高程向基于1985国家高程基准的高程转换。

2.4 声速剖面仪

采用声速剖面仪采集声波在海水中的传播速度，以便在内外业进行声速改正，求得正确的水深值。港珠澳大桥隧道基槽处于伶仃洋，水文条件复杂，每天多次涨落潮，声速变化大，必须在测前、测后各测1次声速剖面，同时使用表面声速仪实时提供探头处声速。表面声速对于Sonic 2024这类平板型的接收换能器至关重要，一定要输入正确的表面声速值。如果输入值与真值偏差较大，将会造成测深结果失真，而且对于这种失真，在任何后处理中都无法改正。

2.5 Qinsy采集软件

Qinsy软件是由模块化程序组成，集成了外业采集软件和内业处理软件，采用项目模式以便操作，所有程序都需从控制台启动，主要由Setup、Online、Replay和Processing组成，Qinsy软件控制台界面如图1所示。

图1 Qinsy软件控制台界面Fig.1 Disp lay ofQ insy console

Setup模块主要是添加和配置各种传感器参数，包括GPS-RTK的驱动和安装位置、多波束的驱动及安装角度偏差、罗经的驱动、运动传感器的驱动和安装位置，其中TestGeodetic Parameter模块可以测试转换参数是否正确，保证外业采集数据的准确性；Online模块功能主要是外业测量采集，利用Setup里设置好的模板文件进行采集数据，包括导入背景和测线、导入声速、设置是否采用RTK测量潮位以及数据记录格式；Replay模块主要功能是对记录的原始数据进行回放，以便对外业设置出现错误时（如GPS位置设置错误）采集的原始数据进行改正；Processing模块主要功能是内业数据处理，包括声速和潮位改正、建立3D图、自动和手动滤波、数据输出等。

3 RTK三维水下多波束测量的原理

3.1 基本原理

常规的多波束测量需要人工验潮，即在测量区域设立验潮站，测后获得潮位数据进行潮位改正，而RTK三维水下多波束测量在利用RTK获得平面定位数据的同时利用高程数据实时求得潮位，在内业数据处理时利用RTK潮位进行改正[4]，从而不需要建立潮位站进行验潮，其原理见图2。

图2 RTK三维多波束水深测量原理Fig.2 PrincipleofRTK three-dimensionalmulti-beaMbathymetry

船舶在水面测量时，H为GPS所测大地高，L为RTK天线到水面的高度，d为换能器到水面的距离（吃水），h为运动传感器所测船舶升沉值，T为RTK潮位，D为多波束所测水深，ζ为1985国家高程基准面到WGS84椭球面的距离（高程异常），S为1985国家高程基面下水深。

由图2可以得到以下关系式:

其中H-ζ=H85高程，由式（2）转换得到:

此时，D为多波束实时测得水深，L+d为RTK天线到探头底部距离，为固定值，若可以实时采集到85高程，便可以实现RTK三维多波束测量。

一般有两种方式采集到85高程:一为外业采集软件（如EIVA）在利用7参数对RTK-GPS采集的WGS 84坐标进行转换时，只实时转换求得了当地坐标系下的平面坐标，而高程依旧是基于WGS 84椭球的大地高，要求得85高程，仍需求得两者之间的高程异常，即ζ，这种情况下可以把隧道基槽东西分为若干段，分别求得每个区域的高程异常值，然后在内业时改正；二为Qinsy外业采集软件在利用7参数对RTK-GPS采集的WGS 84坐标进行转换时，可以实时转换得到当地坐标系下的三维坐标，包括隧道坐标系下的平面坐标和基于1985国家高程基准面的高程，这样便可以利用式（3）实现RTK三维多波束水深测量。很明显，第二种方法更简便和准确，本文采取第二种方法。

3.2 优势比较

常规多波束水深测量只能采取人工验潮的手段，必须在测前手动测量探头的吃水，由于海面总是在上下起伏，所以测量总是会有偏差，同时需在测区附近设立验潮站。岛隧项目中，在靠近西岛的测量平台上安装了潮位遥报仪，测量中利用接收端接收遥报仪数据以便内业进行改正，这样既增添了测量成本，同时测量精度无法保证。由于测量平台到海面距离高，约7 m，同时由于海面的起伏，导致在测量波峰和波谷时信号有延迟，测量潮位时存在误差，从而使多波束水深测量结果产生一定的偏差。而RTK三维多波束测量系统利用RTK所测的潮位，只需量得GPS天线底座到探头底部的距离即可，不用每日测量吃水，减少了测量误差，同时随船舶上下起伏，可以实时测得潮位，减少了测量波峰波谷导致的误差，消除了船舶在顺水和顶水测量时动吃水变化带来的误差，结合多波束水深数据和运动传感器数据，就可以实现高精度RTK三维多波束水深测量。

4 实例分析

为了分析常规多波束水深测量和RTK三维多波束水深测量的数据稳定性，2015年6月6日和7日在基槽E20—E21管节采用两种测量模式进行水深测量，见表1。

表1 常规多波束测量和RTK三维多波束测量2 d差值数据比较Table1 Comparison of 2 daysdata of conventional tide Multi-beaMbathymetry w ith that of RTK three-dimensionalmulti-beaMbathymetry

两种测量模式的设置都一样，唯一不同的是前者采用潮位遥报仪的潮位，而后者采用RTK的潮位。在对数据进行处理后，在Hypack软件里分别对两种测量模式的前后2 d数据做差值，然后分析数据的稳定性。

从表1可得，槽底区域6月6日和7日差值分布情况如下:采用RTK三维多波束测量的差值86%分布在-0.1~0.1 m，而采用常规多波束测量的差值只有35.2%分布在-0.1~0.1 m，57.5%分布在-0.2~-0.1m；边坡差值情况为:采用RTK三维多波束测量的差值89.5%分布在-0.2~0.2 m，而采用常规多波束测量的差值只有66.1%分布在-0.2~0.2m。明显可以看出采用常规多波束测量的数据稳定性较采用RTK三维多波束测量数据差。

5 结语

本文介绍了RTK三维多波束测量系统的组成及基本原理，同时比较分析了RTK三维多波束测量和常规验潮多波束测量的优势，并以港珠澳大桥岛隧工程E20—E21管节实测水深数据为例进行具体分析，使RTK三维多波束水深测量可以在深水基槽测量中得到更好地推广应用。

[1]郑伟，李炜.GPS-RTK三维水下地形测量的应用与误差分析[J].中国港湾建设，2015，35（7）:42-45.

ZHENGWei,LIWei.Application and erroranalysisof GPS-RTK three-dimensional underwater topographic survey[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):42-45.

[2]孙阳阳，徐良，张建军，等.基于多波束测深的海底基床监测与分析[J].中国港湾建设，2015，35（11）:46-48.

SUN Yang-yang,XU Liang,ZHANG Jian-jun,et al.Monitoring and analysisof seafloor subgrade usingmulti-beaMbathymetry[J]. ChinaHarbour Engineering,2015,35(11):46-48.

[3]赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理[M].武汉:武汉大学出版社，2008.

ZHAO Jian-hu,LIU Jing-nan.MultibeaMbathymetric and image data processing[M].Wuhan:Wuhan University Press,2008.

[4]JT/T 790—2010，多波束测深系统测量技术要求[S].

JT/T790—2010,Technical requirement formultibeaMechosounder systeMsurveying[S].

App lication of RTK three-diMensionalmulti-beaMbathymetry for island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

PANMan,HEBo
（CCCCGuangzhou Dredging Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510221,China）

During the excavation and siltationmonitoring of the deepwater foundation trench for the island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,bathymetric survey demandshigherand higher accuracy and the conventional tidemultibeaMbathymetry isunable tomeet the accuracy demand.The set up and principle of the RTK three-dimensionalmulti-beaMbathymetry are described in the paper and the advantage of RTK three-dimensionalmulti-beaMbathymetry is analyzed based on an examp le,whichmay provide reference for bathymetric survey of deepwater foundation trenches.

deepwater foundation trench;siltationmonitoring;RTK three-dimensionalmulti-beaMbathymetry

U652.4

A

2095-7874（2016）07-0005-04

10.7640/zggw js201607002

2016-05-23

潘满（1988—），男，湖北荆门人，助理工程师，测绘工程专业。E-mail:302566092@qq.com