GPS结合测深仪水下地形测量原理与应用

高玉旺（电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南　长沙　410000）



GPS结合测深仪水下地形测量原理与应用

高玉旺（电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410000）

我国的GPS在各个领域中都得到了有效应用，通过综合利用测深仪，能够有效提高应用水平，加强水下地形测量数据精确性，并降低成本。对GPS技术进行了简要介绍，并对GPS配合数字测深仪在水下地形测量中的应用进行了分析。

GPS；测探仪；水下地形；测量原理

1　引言

水下地形测量是测量水下起伏形态和地物的工作。水下地形绘测主要在于水利工程中得以深度应用，具有重要意义。GPS技术的开发时间虽然不久，但其在各领域的应用已经相当广泛。在水下地形图绘测工程中，GPS技术的应用能够大大提高工程的精确度，且更加简便操作，几乎能够全天候工作，不受限制。

2　GPS与测探仪的工作原理概述

2.1GPS基本工作原理

运用GPS全球定位系统实现定位的原理在于通过空间距离的测量，来确定其他位置结果，这也是我们所常说的定位方法，快速而准确。如在动态测量、快速静态和静态测量中，通过GPS全球定位系统进行定位后，再需要通过复杂的数据运算来求得结果。这种技术在野外实时测绘中有一定的限制性因素，在野外要获得厘米级的定位结果需要使用到RTK定位测量技术。RTK是以载波相位观测为原理的定位技术，通过RTK定位技术，流动站和基准站要同时保持4颗以上的卫星跟踪，然后将其已知信息和观测数据通过基准站的数据量一并传给流动站，GPS观测数据与通过链接的数据组成差分方程，进行及时信息处理。运动中求解不需要整个运动过程，取模糊的起始位置值即可，与此同时，坐标转换参数也被输入，因而获得观测点的精度和三位坐标数据。

2.2测深仪工作原理概述

测深仪测量的主要原理是借助超声波及其反射得以实现的，超声波可以穿透介质，还可以在介质表面形成反射，测深仪借助超声波探头将超声波发射出去，通过测量发射波及反射波的时差来完成测量。测深仪工作过程可用公式Z=Vt/2表示，其中，V代表超声波的传播速度，t代表超声波自发射后，由探头到水底，再由水底反射，直到被探头再次接收所消耗的时间。借助探头杆的刻度数值，可以测出探头与水面的距离，将两者相加，即可得出水深数值，如图1所示。

3　GPS与测深仪的结合

3.1GPS结合测深仪测量原理

在测量的过程中，用GPS来加强对换能器底部的坐标以及高程进行测定的时候，就通过测深仪对定位点的水深来进行测定，这样最终得出的水下定位点的高程就可以采用GPS测量的高程以及测深仪测量水深之间的差，同时定位点坐标也就是换能器坐标。GPS可以在RTK作业模式下实时获得测点位坐标高程的测量（见图 2），对于定位的精度几乎可精确到厘米。

图1　超声波回声测深示意图

图2　GPS结合测深仪的水下地形测量公式模型

在进行测量的过程中，主要得到的数据是通过对工控电脑上显示的数据来更好的对数据的采集情况进行测定，与此同时，可以根据相应的软件来进行导航，这样就能更好的保障测区范围内的测量数据。测深软件就能够更好的显示测量船体以及路线的航向，从而更便于随时进行调整。

3.2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。

4　GPS联合测深仪在水下地形测量中的应用

4.1测量之前的准备工作

（1）设置好基准站

在设置基准站的过程中，尽量选取地势较高且视野范围交宽阔的区域当成作业点，并且所选的作业点应当尽可能地远离高压电线或者变电站等无线设施，防止测量设备受到干扰。为了确保所要测量深度地点的水平位置与垂直位置能够同步，在安置GPS接收天线之时，应当把接收天线安装在测深仪换能器的上方区域，而天线的安装高度应当高出作业船体，并且要隔绝金属的干扰。此外，在定位过程中所用到的卫星，其高度角应当不低于10°，利用进行观测的卫星数量要在4颗之上，其质量指标不能够超过6，HDOP值不能够超过1.8。

（2）校正好各控制进行点

进行对水下地形测量前，还需要对测量区域所选的控制点进行校正，其中已知登记控制点的数量不能够低于4个，对其进行校正之后，求出WGS-84坐标系到所测地点坐标系统的转换参数。

（3）安装好测深仪换能器

由于测深仪往往会安装在船只上，而为了尽可能的防止因为作业船只速度对船只吃水线的影响，通常会把测深仪的换能器安置在作业船只的中舷区域。同时，为了确保作业船只在运行的过程中，防止测深仪的换能器出现搁浅现象，或者是确保其能够在连接杆长度的允许范围之内，测量人员需要尽可能的把换能器安放在水下比船底稍高的位置，使其吃水的深度保持在0.5～1.5m的范围之内。

4.2测量现场的数据信息采集

在对水下地形进行测量之时，测量人员需要使用GPS接收机、导航软件以及测深仪等相关仪器设备，对所测水下地形点的三维坐标进行实时的采集。在采集的过程中需要完成以下几项工作：

（1）在对水下地形数据信息进行采集之前，测量人员需要对已知点进行检测，做好吃水深度的校正以及水深的对比工作。这就要求，相关的测量人员首要的工作就是要对将要测量水域的水温进行测量，并使用测深仪对船只所处水域的静态吃水深度进行确认和校正，进而调整好声速，然后在测量开始前以及开始之后，选取不同水深对测深仪所测的结果进行比对。

（2）为了确保导航船只能够接收到实时定位的数据信息，在利用GPS与测深仪相结合技术对水下地形进行测量之时，需要调整测量船只上流动站GPS接收器的数据输出格式，使其能够设置为NMEA-0183，也就是在进行数据输出之时，需要使用ASCII码，其中包括所测定位点的经纬度、高度、船只速度、时间日期、运行方向以及所使用探测卫星等信息数据。

（3）测量人员需要使用测量软件设定好测深仪换能器的吃水深度、GPS接收天线的中心与水面之间的距离、声速以及换能器发射的脉宽等相关参数，提高测量所得数据的精准性。

（4）测量人员需要在所用导航软件当中设置好正确WGS-84坐标与测量水域所在地坐标系统之间的转换参数。

（5）以上工作准备完成之后，测量人员就可以开启所使用的设备以及软件，然后对通信以及测深数据之间的比对进行仔细的检查，当检查合格之后，测量人员就可以按照既定计划对水下环境进行测量工作，并做好实时的数据收集工作。在数据信息的收集过程当中，为了提高所得数据的准确性，测量人员需要调出测量断面线，并把船只指引到断面的位置，按照制定的测点间距对测点进行定位，并对其的深度进行测量，然后根据导航软件所显示的数据，对航向进行修正，使得测量船只能够顺着断面线方向航行。

4.3内业数据处理及成果生成

外业数据采集完成后，通过后处理软件对基准站及流动站基线加以解算，将GPS基线向量确定为观测值，将方差阵之逆作确定为权，采用三维无约束平差方式，精确计算得出观测点的WGS84坐标，然后借助已知测点的坐标，通过对坐标进行转换，从而得出各观测点的实际方位坐标。同时，利用CASS等软件，对于水下地形图进行展绘，得到最终水下地形图。

5　结束语

可见，在进行水下地形测量的过程中，应用GPS技术的同时，还可以结合测深仪，进一步更加测量快速与作业效率高，同时保证测量的精确度。当下，水下测量在许多的水库、河流或航道中得到了广泛的应用。然而，由于许多地区对水下测量的要求标准不相同，因此，其中还是存在很多的问题亟待解决。

［1］牟云勇.浅析水下地形测量中存在的问题［J］.黑龙江科学，2014，5 （2）：99.

［2］史富贵.水下地形测量成果质量检验若干问题探讨［J］.测绘科学，2015，40（7）：109～112.

［3］李 昱，阎成赟.基于JSCORS的无验潮水下地形测量研究［J］.海洋测绘，2014，34（3）：48～51.

高玉旺（1970-），男，测量高级工程师。

P229

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2095-2066（2016）12-0048-02

2016-4-12