数字化技术在水下地形测量中的应用研究

董光明++宋琦齐

[摘  要]水下地形测量离不开测深仪，而水深测线的间距会因比例尺的不同发生变化。对测深仪定位控制中，在近岸或者江河测量时可使用全站仪或者光学仪器进行交会法定位，在较远地方主要以无线电定位为主。通过应用GPS定位技术，能够快速、较精准地将测深仪位置测定出来。在大比例尺测图中，应用差分GPS可实现相对定位。鉴于此，本文主要对数字化技术在水下地形测量中的应用及相关问题进行了探讨。

[关键词]水下地形测量;数字化技术;应用

中图分类号：U416.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0041 -01

水域的面积范围广、区域连通强、储量大，故在河流、湖泊与海洋等水域中开展测量工作时难度往往较大。同时，加上测量方法多种多样及各种条件限制，虽投入了大量人力、财力、物力，但获得的测量数据依然精度不够理想，无法提供有用价值。对水下地形进行测绘，并将相应水下地形地貌图绘制出来，对我国设计航行路线、水上运输及水底资源探索等具有重要意义。随着科技技术的发展，差分GPS技术在水域测量中的应用日益广泛，并联合水深仪器进行仪器的定位与水深测量，最后和计算机系统、电子记录手簿及绘图自动系统相统一，形成了一个自动化测量系统。

1.数字化技术的工作原理介绍

在实际应用中，GPS测量技术主要包括动态与静态侧量，在解算了数据后，即可获得精度相对较高的测量结果。RTK技术主要是利用载波相位动态实时差分技术，对厘米级均可实现实时定位。一般来说，RTK技术在实际作业环节中，基准站是用来获取各种观测值与测站信息及数据，然后利用数据链网流动站传输数据，最后由流动站实时处理各种差分观测值，并将定位结果计算出来，精确度可达到厘米级别[1]。GPS与RTK技术的联合应用，在很大程度上降低了操作强度，作业人数也明显减少，且精确度较高，具有显著的应用优势。

2.数字化技术在水下地形测量中的应用分析

在某电厂扩建工程建设中，需要对1：1000测区内的水下地形与岸线进行测量。结合电厂周边的控制点情况，考虑使用单基准站RTK技术与测深仪技术完成水下地形测量工作。在对1：1000、1：25000及1：50000测区内的水下地形测量时，则选用GPS与测深仪技术共同完成。

2.1 GPS定位技术

全球卫星定位系统，简称GPS，是一种能够对海、陆、空三维空间实时定位与导航的控制技术[2]。该技术主要是利用卫星，实时定位与监控信息接收终端，有着自动化、快速、精准及高效、全天候等优势。该技术的应用，为水深测量与精密定位带来了巨大前景，因为它能更精准地探测出水下地形，进一步提高了水下地形测量工作的精准性、高效性，推动了水域地形测量向信息化、科学化、高效方向发展。

在对工程外海的海域地形测点进行定位时，该项目使用DGPS技术进行了施测，所用的导航软件是海达测量软件haida。利用DGPS采集到的数据是WGS-84坐标，故开始测量工作前，应先将测区范围的坐标以及坐标系的换换参数求出来。在测量之前，先测定已知控制点的坐标，并将固定差求取出来，然后开始稳定性测试，经过4小时左右，便可得出各GPS测试结果。实践表明，利用该技术对定点点位的测量误差较小，符合项目要求，但多数实测位置与已知点偏离约达0.5～1m，甚至在1m以上，故必须对定位进行归心改正处理，以保持定位和测深的一致性。

2.2 RTK技术

在以往的水下地形测量中，主要是通过潮位改正模式求取出测船处的水位，接着用该处水位值减掉测深仪获得的水深值，结果即为水底高程[3]。但是，潮位会因海洋环境的变化而发生变化，得到的水深值也会出现瞬时误差，而最终的数据中不能消除，故潮位资料的可靠性一直受到质疑。RTK技术技术的出现与应用，测高精度进一步提高，而导航技术也不断成熟，使RTK技术与测深仪器联合应用的水下地形测量技术，逐渐成为当前进行大比例尺测图的一种主要技术。在该项目中，RTK技术测高技术通过GPS基准站以及流动站，实现了对平面与高程的同时观测，使水位观测和导航定位结合在一起，故能较准确地获得了测点平面位置与高程，具有操作便捷、工作效率快等特点。

RTK技术还能克服潮位站带来的麻烦。在水下地形测量时，用RTK三维水深技术对测点进行定位，对水位进行控制，在对测得的正常高坐标进行七参数换换后，采用宽距解的数据采集模式，并将流动站的天线高设置高，即可将测点平面位置与瞬时水位高度测量出来，达到测点定位及水位控制的目标。

2.3 测深技术

随着科学技术的快速进步，多波束侧身技术、侧扫声呐与遥感技术在水域测深领域的应用如果广泛，因为能够获取到较精准的数据。同时，卫星测高技术的应用，可探测到潮汐、水域的水准面与重力异常等情况，然后能详细分析与比较这些测量得出的数据。

在该项目中的水深测量中，选用了测深仪。在测深仪中，一般会有水深数字化输出接口与热敏打印记录装置，在开展水下地形测量工作时，选用Haida与HyPack导航软件，将定位参与与记录参数设置好之后，连接测深仪的输出接口、计算机通讯以及定位输出接口，将测船引入到需测量的断面处，结合测点间距完成定位与测深工作。之后，结合软件偏航数据，对测船方向进行修正，保证测船和断面线航行方向一致，即可同步采集定位与测深数据。

2.4 水下地形测量系统集成

数字化水下地形测量技术主要由两部分组成，分别为外业数据采集与业内成图[4]。外业数据采集主要是集成测深及定位等系统，工作内容包括对地形数据的采集，而业内图主要是利用测绘软件对地形数据进行处理，并将地形图绘制出来。GPS与计算机技术的快速进步和发展，定位技术也朝数字化方向发展，并可获取到测深仪探头所在地方的平面位置与高程H1。计算机系统则可以将定位系统和测深技术系统有机结合起来，使之形成一个整体，然后输入所得的数据，最后生成地形图，便可求出水下地形点高程。在传统水下地形测量技术中，定位与测深为分离进行，而数字化水下测量技术则可将定位与测深结合成一个整体，具有高自动化水平、高精度、低出错率及低误差等优势。

2.5 水下地形图的绘制技术

对于观测采集到的水深数据，应对其动态吃水、水位及声速进行改正处理，才能符合成图要求。然后，在图中调入处理得到的水深数据，经过筛选与整理后，用软件生成等高线或等深线，再加入必要地形与地物符号、标注及图框，则可得到较完整、较规范的水下地形图。

2.6 数据误差及解决策略

由于当前GPS获取的七参数仍受到一定范围控制，这在一定程度上影响了定位与测深仪器设备获取更高精度的水底高程，而系统误差、偶然误差等数据误差，也成为制约测深精度提高的主要因素。基于这些情况，测量人员只可借助修正系数或者凭经验修正测绘数据的方法尽可能减小误差，以提高测量精度。

3.小结

由上述可知，数字化技术在水下地形测量中的应用，可做到定位准确，得到较精准的测量数据，具有操作方便、快捷、精度高、自动化等一系列优点，为我国河流、湖泊与海洋事业发展提供了可靠依据，逐渐成为当前水下地形测量的一种有效技术。

参考文献：

[1] 闫永辉，徐建新，吴文强，彭文启.GPS-PPK结合测深仪在水下地形测量中的应用[J].人民黄河，2013，35（05）：128-130.

[2] 夏龙.GPS-RTK 技术在水库水下地形测量中的应用[J].价值工程，2013（35）：212-213.

[3] 顾飞艇，王灵锋.数字化测绘技术在水下地形测量中的应用[J].黑龙江科技信息，2016（17）：76-77.

[4] 程新春.GPS-RTK 技术在水下地形测量中的应用观察[J].科技创新与应用，2016（27）：297.