GPS—RTK技术与测深仪结合在内河航道水下测量中的应用

李本超

摘 要：GPS（全球定位系统）是一个无线电空间定位系统，它利用导航卫星和地面站为全球提供全天候、高精度、连续、实时的三维坐标（经度、纬度、高程）、三维速度和定位信息，地球表面上任何地点均可以用于定位和导航。而测深仪是利用声波反射的信息测量水深的仪器。两者结合使用后内河航道水深测量就变得准确可靠，简便易行，不仅提高了精度而且大大提高了作业效率。本文以实例说明GPS-RTK技术与测深仪配合作业在内河航道测量中的具体应用。

关键词：GPS-RTK；测深仪；内河航道；水下测量

0 引言

在内河航道测深中GPS-RTK技术与测深仪配合使用的方法得到了快速发展，已经在内河航道水下测量中得到很好的应用，与传统的测深方法相比，具有较大的优势，特别是在航道长、水域宽广、水下地形复杂、水深较大的区域，水下测深能简单、方便、快速、高效、全天候作业，同时大大提高了水深的测量精度。随着GPS-RTK技术的不断发展，利用GPS -RTK技术配合测深仪进行水下测深将有更加广阔的前景。

1 概述

1.1 内河航道水深测量主要采用的实时动态定位方法

RTK技术是在测区内选择控制点作为基准站，测量时在基准站安置一台GPS接收机连续观测所有可见GPS卫星，并将其观测数据通过无线电传输设备实时地发送给用于移动测量的GPS接收机（移动站）。移动站接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示移动站的三维坐标成果和精度，以满足测量和实时导航的需求。

1.2 测深仪

测深仪就是激发器在终端显示装置的控制下，周期性地产生超声频脉冲，通过换能器转化成有指向性的超声波脉冲射向水底，声脉冲经水介质传播到水底。一部分能量从水底反射回到换能器，经换能器转换成电信号送至接收机，再经放大器将信号加以放大、变换，供终端显示。终端显示装置的功能是一方面控制发射机周期性地产生振荡脉冲，另一方面将接收机收回波信号相对于发射脉冲的延时时间，自动转换成深度数据。假设声波在水中的传播速度为V，当在换能器探头加窄脉冲声波信号，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收，测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则：Z=Vt/2。这就是测深仪的基本原理。

1.3 利用GPS技术配合测深仪测深的优点

目前大多数GPS采用双频接收机，实现了航道测绘的自动化、数字化、系统化，大大缩短了水下测深的工作时间。同时，GPS无论昼夜、天气好坏均可以进行作业测量，所以能够满足各种环境下的急需测量的要求，以避免延误测量时机。只要预先设置好航向图，系统就可以实时显示出测量船的位置与断面的偏离距，与断面上起点、终点位置的距离，从而保证测量人员严格沿着断面线进行测量。由于不再需要停船打水深定位，测量船的行驶速度就是水上测量速度，所以大大缩短了测量时间。加上系统的机动性，可以方便地增加临时断面，以满足不同测量精度情况下对断面密度的要求。

2 作业方法

下面以徐州市京杭运河航道北段疏浚工程水下测量为例，详细介绍GPS-RTK技术与测深仪配合作业在内河航道水下测量中的具体应用。因徐州市京杭运河航道北段航道狭长，水下地形测量采用断面法进行，断面线布置与水流方向大致成垂直，断面线间距为50m，断面线上测点间距2m。本次测量使用的仪器是中海达GPS和测深仪，GPS型号是F61，测深仪型号是H370。

2.1 测量作业准备工作

测量前准备好机动小船，绑扎测杆的绳子、扳手、固定在船上的卡子等，一般内河航道测量固定测杆有两种方法，一种是用固定在船上的卡子卡住测杆使之固定不动。这种方法牢固不倾斜，但是遇到浅滩时由于小船的惯性来不及移动测杆容易造成底部探头损坏。另一种是用绳索绑扎在船舷旁，有一个人扶住测杆，这种方法适合在内河航道测深中，内河航道比较狭长风浪小，航道两侧较浅，如遇浅滩时，手扶测杆的人可随时倾倒测杆或稍微提起测杆，避免测杆底部探头损坏。本次航道水下测量采用的就是这种方法。

2.2 GPS设置

首先是测前准备，即打开HI-RTK-ROAD软件，新建项目、设置坐标系统参数、GPS与手簿连接、移动站设置（网络：CORS、源节点：RTCMiMAX3.0，天线设置时一定注意是选取GPS底部，还是GPS量取位置。

2.3 求解GPS转换参数

由于GPS所采用的坐标系为WGS-84坐标系，而在我们国家，实际的工作中所使用的都是BJ-54，国家-80、或地方坐标系，因此存在WGS-84和当地坐标系统之间的转换问题。本次测量使用的仪器是中海达GPS，手簿F61，手簿软件HI-RTK。采用的是七参数，因此至少3个已知坐标点（已知点可以是国家坐标系下的坐标，或和WGS-84坐标系之间存在很小旋转坐标系下的坐标，最好3个以上已知点，可以检验已知点的正确性）。移动站到测区已知点上测量出窄带固定解状态下的已知点原始坐标。根据已知点的原始坐标和当地坐标求解出两个坐标系之间的转换参数。打开坐标转换参数，则RTK测出的原始坐标会自动转换成当地坐标。到另外你至少一个已知点检查所得到的当地坐标是否正确。

2.4 测深仪器设置

（1）水下测量时先用GPS测出当时的水位，或者是与水文站联系以获取测量时水位资料。（2）采集航道水位后把GPS固定在测杆顶上，然后把 GPS接到串口（COM1或COM2）就可以进行水上测量作业，运行桌面的“NAV370测量软件”，然后在当前页面进行设置，设置时如用的是七参数一定注意七参数最后一项输入时要将手簿上的数据小数点前移6位。计划测线调入也要特别注意，DXF图形文件不宜过大，一般在几十K到几百K之间，且不能有弧线，必须是折线段，否则测量软件不识别，DXF图形调入失败。然后进行记录设置，此时设置水下测量采样间隔，即多少米采集一个点，本次测量采样间隔是2m一个点。点取测量方式后此时应该能够看到小船在屏幕上显示。（3）最后打开左边的测深软件，在设置里面输入吃水深度即探头吃水深度，其他设置内河航道水下测量可以默认设置就可以了，本次测量水深设置为0.3m。这时一定注意测深仪显示器右边水位要通过仪器设置改下天线高，要调至和当前水位一至。点击确定测深，这时探头开始工作，屏幕左侧显示水下示意图，同时实际水深数据也出现在屏幕上。（4）为了测量工作的准确性，避免其他方怀疑仪器测深的准确性，现在要做的是用打水杆在探头处检查此时水深是否与仪器测的水深一致，误差应在0.1m以内。（5）检查仪器水深正确后就可调入测线，注意测线断面密度设置，根据建设要求，基建性项目断面距离50m，养护性断面距离30m，本次航道是基建性项目，所以选择断面距离50m。调入测线后就可开始测量。

2.5 水下测量作业

测量开始后屏幕上就出现点号并自动记录了，这时测量员就可指挥开船人员让测量船沿着屏幕上的断面线开始滑行，速度最好控制在5节以内，如超过5节测深仪测出的数据就会出现很多假点，造成数据不真实，必须返工重测。测量员还要指挥开船人员尽量靠近航道两侧，这样就可以减少航道两侧测深仪测不到的地方补点的工作量。水下测量时如航道中有船航行时，应等船过去几分钟再进行测量，因为此时水底的淤泥或浮泥被船桨搅起，测深仪测出的数据就不真实了。航道全部水深测量完后保存数据，用中海达数据后处理软件进行后处理。

测深仪关闭后，把测深仪收起装箱，此时重要的是用GPS在浅水区补点，岸边低于0.8m的水深，测量船就进不去了，这时应乘坐小木船用GPS在浅水区补点，补点密度和断面密度相适应。

2.6 成图

本次成图采用2007CAD、南方Cass软件成图，首先是打开软件把测量的数据进行展点，展点后应检查水深数据是否有错误，因为GPS的信号问题，测深仪测量的数据有错误点、假点等，此时应该在平面图上仔细检查，将错误的点删除，也可以通过CASS中的绘图处理高程点过滤功能过滤掉错误点。展点检查后就可以画断面图了，成图有两种方法，一种是单个断面绘制法，一种是自动生成断面法。单个断面绘制法适用于零星检测，自动生成断面法适用于大范围出圖。本次测量采用的是自动生成断面法。

3 结束语

GPS-RTK技术与测深仪结合的测量方法已经在内河航道水下地形测量中得到了充分的应用，由于其诸多的优点，该技术的应用为内河航道整治提供了极大的便利。

参考文献

[1]马成武，赵红旭，陈和权，等.GPS-RTK技术联合数字化测深仪在水下地形测量中的应用[J].东北水利水电，2010，（7）：49-51.

[2]路武生.基于GPS技术的航道水下地形测量研究[J].科技资讯，2009，（24）：35.

[3]闫永辉，徐建新，吴文强，等.GPS-RTK结合测深仪在水下地形测量中的应用[J].人民黄河，2013，（5）：128-130.