GPS与测深仪相结合进行水下地形测量浅析

陆清普

摘 要：随着GPS 技术的不断发展， RTK技术的出现， 以及计算机技术的高速发展， 使得平面定位技术实现了高精度、自动化、数字化、实时化， 而随着测深技术的数字化、自动化， 为水下地形测量的数字化、自动化提供了基础， 为水利测绘提供了先进的手段。本文就全自动数字水下地形测量系统的组成、工作原理、作业方法进行了介绍， 并根据工程实际， 对其测量精度、误差来源进行了分析。

关键词：GPS；数字测深仪；水下地形测量

水下地形测绘、横断面测量是工程规划、设计和施工的基础资料。而水下地形测量是地形测量的一种， 它是测量水体（河流， 水库及湖泊等） 下的床面起伏， 并通过与前期测量成果的比对来确定河床的淤积状况。

传统的作业方法是： 在图根控制点（或已知点） 上设置经纬仪（或全站仪） ， 测定目标船之方位及测站至船的水平距离， 确定船的平面位置， 再利用静水面高程（水位） 及目标船处的水深求取水下点的高程， 即平面定位和水深測量是相对分离的。如图1 所示， 其水下地形点高程计算如下：

H = H0 - h2 - h3 （1）

随着GPS 技术的不断发展， RTK技术的出现， 以及计算机技术和电子技术的高速发展，使得平面定位技术实现了高精度、自动化、数字化、实时化， 并且能实时获得测深仪探头处的高程， 将此高程减去测深仪所测的深度即可得到水下地形点的平面位置和高程。而随着测深技术的数字化、自动化， 为水下地形测量的数字化、自动化提供了基础。如图1 所示其水下地形点高程计算如下：

H = H2 - （ h1 + h2 ） - h3 （2）

一、全自动数字水下地形测量系统的组成及原理

（一）全自动数字水下地形测量系统的组成

全自动数字水下地形测量系统由精确定位导航系统、数字测深系统、计算机控制集成系统等三部分组成。精确定位导航系统主要是准确提供水下地形点的平面坐标和测深仪探头处的高程； 数字测深系统主要是提供测深仪探头至水下地形点的深度； 计算机控制集成系统主要对测区进行航线设计， 对GPS 定位数据和测深仪测深数据进行匹配、整合、取舍、计算、存储， 指挥测量船沿着设计航线航行， 将测量点展绘于地形图上， 生成数字地形图。

（二）全自动数字水下地形测量系统的工作原理

全自动数字水下地形测量系统与传统水下地形测量方法的最大区别在于： 传统水下地形测量方法的平面定位和水深测量是相对分离的，而全自动数字水下地形测量系统有效地将平面定位和水深测量有机地结合起来了。在RTK作业模式下， 基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS 观测数据， 并在系统内组成差分观测值进行实时处理， 同时给出厘米级定位结果， 历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态； 可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业， 也可在动态条件下直接开机， 并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后， 即可进行每个历元的实时处理， 只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形， 则流动站可随时给出厘米级定位结果。

计算机系统是将数字测深仪与GPS 定位系统连接起来并组成统一整体的载体， 它将GPS的定位数据与测深仪的测深数据进行匹配、取舍、计算、存储， 将所测的数据输入地形图成图软件生成数字水下地形图。

二、平面、高程控制的若干问题

在实际的应用无验潮方式进行水下测量时，测量精度会由于船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素带来的误差，远远大于RTK定位误差，我们采取以下措施：

（一）船体摇摆姿态的修正

船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆的参数，通过专用的测量软件接入进行修正。

（二）采样速率和延迟造成的误差

GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度，可以在延迟校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到，也可以采用以往的经验数据。

（三）RTK高程可靠性的问题

RTK高程用于测量水下地形，其可信度一直是倍受关注的问题，在以下的工程实例中，在作业前和作业结束时， 我们在同一时间用RTK测量的水面高程和人工观测的水面高程进行比较，判断其可靠性。

三、工程实例分析

（一）数据采集

在凫洲河和中部排水渠的水下地形测量中， 采用该系统进行测量。其基本配置为：徕卡GPS SR530 两台（一台为基准站， 一台为流动站） ， 中海达公司生产的HD17 型数字测深仪一台， 机动测船一条， 100A H 蓄电瓶两个（保证RTK GPS 基准站、流动站、测深仪、计算机的供电） 。首先在计算机上对测深软件进行设置， 包括坐标系统、坐标投影方法、坐标变换参数、测图范围数据记录间隔、格式、端口分配、波特率、GPS 天线偏差改正等设置。其次， 根据勘测任务书， 在海洋测量软件中定义测区范围， 测区范围应输入测区的左下角和右上角坐标以及测图比例尺；并根据测区范围进行航线设计， 即对测船航行的路径进行规划。再次， 对GPS 进行设置，求解转换参数，在开始观测前先对已知等级控制点进行点校正，以求出WGS84坐标系到当地坐标系转换参数。校正时平面校正点数量不少于3个，高程校正点数量不少于4个，校正点尽量分布于测区周围。在控制点的WGS84坐标与当地坐标成果均已知的情况下，在内业中即可完成校正，否则，要进行外业校正。然后， 在野外控制点上架设GPS 基准站和基准站电台， 并启动基准站测量； 在测船上安装GPS 流动站和测深仪， 并将它们都连接到主控计算机上， 开启计算机， 启动测深软件和海洋测量软件， 根据计算机上显示的测船所在位置、航向指挥测船沿着计划航线航行并采集记录测点的平面、高程、水深数据。最后， 对采集到的水下地形点的平面、高程数据进行检查校核后， 将其输入专业的数字地形图成图软件和断面图成图软件进行处理，即可得到高精度的数字地形图和断面图。

（二）测深数据分析比较

为了保证测深仪的测深数据的准确可靠，在作业前和作业结束时， 我们在浅水处分别用花杆的量测深度数据与测深仪的测深数据进行了比较， 在此摘录部分比较结果见表1 。

在航线设计时， 我们特意把航线设计成纵横交叉的航线， 最后我们对交叉点在不同时段的测深数据进行了比较， 在此摘录部分比较结果见表2 。

由上述两种比较可知， 利用这套系统进行水下地形测量， 其结果是准确、可靠的。

四、结语

总之， 利用全自动数字水下地形测量系统进行水下地形测量， 实现了从数据采集直至最终数字地形图的形成的高度自动化， 大大提高了劳动效率， 促进了技术的进步， 减小了各种测量误差。

参考文献：

[1]胡家明编译.水上测量新技术，[M]人民交通出版社，北京，1984.

[2]吴子安，吴栋材.水利工程测量，[M]测绘出版社，北京，1993.