CORS RTK无验潮水下地形测量技术在上海潮滩测量中的应用

秦昌杰，谢敏真

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 上海市沙田学校，上海 200062）

CORS RTK无验潮水下地形测量技术在上海潮滩测量中的应用

秦昌杰1，谢敏真2

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 上海市沙田学校，上海 200062）

随着海洋事业的不断发展，水下地形测量工作也越来越显出其重要性。介绍了CORS RTK无验潮水下地形测量的原理和方法，该方法改进了水下地形测量的工序，减少了测量人员和设备，提高了工作效率，能够实现快速高精度的水下地形测量。结合其在上海潮滩测量中的应用，通过分析内符合和外符合精度情况，充分显示了该方法的优越性，在近海的水下地形测量中具有很好的应用前景。

CORS RTK；无验潮；水下地形测量；潮滩

随着海洋事业的不断发展，水下地形测量工作也越来越显出其重要性，目前水下地形测量的作业方式有常规验潮水下地形测量和无验潮水下地形测量两种方式。常规验潮方式需要架设潮位站进行人工验潮，以便在测量的水深值中加入潮位改正，从而计算出每个测点的高程值。无验潮方式就是在测量船上直接测出测点的瞬时水面三维坐标，减去该时刻测点的水深值，从而得到每个测点的高程值，不需要岸上人员观测潮位。无验潮方式在水下地形测量中有着独特的优越性，特别是在海洋的大面积水域测量中，由于潮位存在坡降比，常规验潮方式需要在测区内按距离分块布设潮位观测点，每个观测点要配相应的工作人员和设备进行潮位观测，这样既不容易求出准确的潮位数据，且工作效率也不高。而无验潮方式改进了水下地形测量的工序，减少了测量人员和设备，提高了工作效率[1~3]。此外随着GPS定位技术的进步和发展，基于连续运行参考站网的实时动态相对定位技术 (Continuously Operating Reference Stations Real Time Kinematic, CORS RTK)测量精度的提高也为这种方式提供了技术上的保证[4~6]。

CORS RTK通常是由基准站网、数据服务中心、数据通信链路及用户等部分组成的网络RTK，它跟常规RTK一样是一种利用GPS载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术。在CORS网络覆盖地区，用户只需要一台带有数字移动通信数据链功能的GPS接收机，通过无线网络方式将自身的实时信息发送给数据服务中心，并接收数据服务中心发送来的差分信息进行实时数据采集，就能够快速的获得厘米级精度的定位结果[4~6]。CORS RTK技术在陆地测量和放样中的应用已经比较成熟，在海洋测量和海洋工程中的应用也越来越广泛[2]。

1 CORS RTK无验潮水下地形测量的原理和方法

CORS RTK无验潮水下地形测量系统由GPS接收机、数字化测深仪、数据通信链和计算机及相关软件组成。作业原理和方法是用户将GPS接收机天线捆绑在测深仪换能器的正上方，将GPS接入CORS网络，利用CORS RTK技术进行平面和高程观测，得到GPS接收机天线的实时三维坐标，测深仪同步采集该点位的水深数据，通过数据处理得到水下地形点的高程值。假定相对于某高程基准面，GPS接收机的天线高程可由CORS RTK测出记为H1，测深仪换能器的瞬时高程记为H2，H为测深仪测出的水深值，水底点O的高程记为H0，GPS接收机天线和测深仪换能器之间的长度记为L，结构原理如图1所示。

图1 结构原理图Fig.1 The structure principle diagram

从图1中可以得出：

根据式1可以求出水底点O的高程H0，而该测点的平面位置由CORS RTK实时测出，水下地形测量的目的已经达到了。上述测量方法摒弃了常规验潮方式对潮位观测的严格要求，集潮位测量和水深测量于一身，直接获得了水下地形点的三维坐标，操作和实施比较方便、快捷[1,2,7,8]。

2 工程应用

2.1 工程概况

上海潮滩水下地形测量项目，主要为上海市一线海堤至-5m线的水深测量区域。测量范围为浦东机场至金山的沿海潮滩，测线间距1.2km，采样间隔为5m，测线里程120km。测量坐标系统：WGS-84坐标系；高程基准：吴淞高程基准。测区内上海市一线海堤有我院近年来布设的多个上海市地面沉降监测GPS点和每隔1.2km布设的一线海堤沉降监测水准点，作为该项目的平面和高程控制点。每年我院均会按照《全球定位系统（GPS）测量规范》(GB/T 18314-2009)中的B级网要求对GPS点进行观测，按照《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12897-2006)中的二等水准测量要求将一线海堤沉降监测水准点与上海市一、二等水准网进行联测。

2.2 测量方法

潮滩测量采用CORS RTK无验潮水下地形测量方式。GPS接收机选用美国天宝公司的R8双频接收机，测深仪选用Hydrotrac单频回声测深仪，测量软件采用专用水道测量软件HYPACK MAX。通过接入上海CORS系统同步采集测点WGS-84平面坐标、GPS天线大地高和水深值，GPS天线大地高通过上海市测绘院的上海似大地水准面模型转换成吴淞高程，计算得到水下地形点的三维坐标。

2.3 测量实施

（1）仪器校准和比对

仪器的准确性和稳定性是测量的基础，水深测量工作之前,必须对使用的GPS接收机及测深仪进行检校，对定位精度及测深精度进行严格的比对和校准。

GPS接收机比对方法：项目实施前将GPS接收机放置在GPS控制点上，连续开机记录时间不少于24h，采样间隔为1s，绘制观测记录散点图，统计内符合和外符合测量精度及其分段分布情况。

测深仪比对方法：项目实施前选择在水深大于5m的海底平坦处，连续开机时间不得少于4h，采样间隔5min，水深比对限差应在0.3m之内。

无验潮水下地形测量的重点和难点是高程测量的精度，因此在每天作业之前，必须进行高程控制点的比对测量。GPS接收机接入上海CORS系统初始化有固定解后，将其放在测区附近的高程控制点上进行比对，比对限差应在0.05m之内。每次测量前、后在测区内利用校正板对测深仪进行现场比对，比对限差应在0.05m之内。所有仪器设备校准比对结果符合要求后，方可以进行数据采集工作。

（2）数据采集

作业前先将测量系统各部件按要求连接，GPS接收机天线和测深仪换能器捆绑在同一垂杆上，用钢卷尺准确测量好GPS接收机天线至测深仪换能器的长度。打开电源，将GPS接收机、测深仪和测量软件各个通讯通道调试接通，设置好数据采集格式等，同时校准电脑、测深仪和GPS接收机的时间，确认无误后根据HYPACK软件导航，沿计划测线跑船。因测区内水深较浅，尽可能利用高潮位时进行野外数据采集。数据采集时实时查看CORS RTK差分接收锁定情况，保证在锁定状态下采集数据，确保定位数据的可靠性。同时注意测深仪工作是否正常，测深纸上的回波信号是否清晰，吃水线是否漂移，保证测量系统在稳定的情况下测量。无障碍物条件下，断面测深航迹线偏移应不大于20m，每条测线尽量在同一天内一次性完成，如果测线不能一次性完成，拼接重合点必须有三个水深点以上的数据，以保证水深数据的完整、连续、可靠。现场测量中遇到障碍物（渔网、码头等）影响测量时，要及时打标注记，标注清楚障碍物的点号、名称、位置等。同时每条测线都需作好海上作业日志（相关气候与潮汐等）、水下地形测量班报表等记录。

（3）内业处理

测量结束后，将采集完整的现场测量数据按设计规范要求进行整理，然后采用HYPACK MAX水道测量软件进行内业后处理，经改正及剔除假水深后，输出实际需要的成果。

2.4 精度分析

《海洋调查规范 第10部分：海底地形地貌调查》(GB/ T 12763.10-2007)，规定对主检测线重合点水深不符值进行系统误差及粗差检验，剔除系统误差和粗差后，其主检水深不符值限差为：水深小于30m时为0.6m；水深大于30m时为水深的2%；超限的点数不得超过参加比对总点数的10%。利用检查线与主测线水深不符值，进行水深测量准确度估计，其估计指标的计算公式为式2，在水深小于30m时水深测量准确度应优于0.3m；在水深大于30m时，水深测量准确度应优于水深值的1%[9]。

式中：

M–重合点水深不符值中误差，单位为m；

di–主测线与检查线在重合点i处的深度不符值，单位为m；

n–主测线与检查线的重合点数。

（1）内符合精度

为了保证测量成果的质量，在垂直于主测线的方向上我们布置了30km的检查线，检查线与主测线相交处比对点 193点，所有点的水深值均在30m以内，交叉比对点水深不符值均小于0.6m。交叉比对点不符值分布情况见表1。根据这些交叉比对点不符值按式2计算水深测量准确度为M=±0.08m。

表1 主检测线交叉比对点不符值分布情况Table 1 The distribution of the inconsistent values of the main detection lines’ point

（2）外符合精度

为了验证CORS RTK无验潮水下地形测量的可靠性和精度情况，在低潮位露滩时安排测量人员进行部分人工野外跑滩检测。由于CORS RTK技术在陆地测量和放样中的应用已经比较成熟，所以检测方法采用CORS RTK结合全站仪的野外数字测图方式，检测点采样间隔5m，共检测测点652点，检测点不符值分布情况见表2。根据这些检测点不符值按式2计算水深测量准确度M=±0.13m。

表2 检测点不符值分布情况Table 2 The distribution of inconsistent values of detection point

通过内符合和外符合的精度统计比对分析，利用CORS RTK无验潮水下地形测量技术在上海潮滩测量项目中测得的数据是可靠的，满足该项目设计需要和《海洋调查规范 第10部分：海底地形地貌调查》(GB/T 12763.10-2007)规定的质量精度要求。

3 结论

相对常规验潮水下地形测量，利用CORS RTK无验潮水下地形测量技术进行上海潮滩水下地形点的采集具有很大的优越性，具有省时、省力、方便、快捷和简单等特点，能够实现快速高精度的水下地形测量，在近海的水下地形测量中具有很好的应用前景。

（1）CORS RTK无验潮水下地形测量技术方便、快捷，无需专门架设潮位站，大大节省了人力和物力的投入，在近海潮滩潮位架设比较困难、海况比较差、验潮条件不具备的区域真正实现了无验潮的水下地形测量，大大提高了测量的工作效率。

（2）CORS RTK无验潮水下地形测量技术由于GPS接收天线和测深仪换能器是捆绑在同一垂杆上，两者之间的距离固定，因而船体的动态吃水不用专门去测定，测深仪换能器的瞬时高程已经包含了该信息，因此该方法可以减少风浪对测深仪换能器吃水上下漂移的影响，进一步提高测量成果的精度。

（3）CORS RTK无验潮水下地形测量技术能够在动态环境下，获得厘米级的水平定位精度，比常规采用RBN/ DGPS信标技术获得米级导航定位精度大大提高,特别适用于沿岸重要海区的精密测量。

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Application of CORS RTK underwater topographic survey technology without tidal observation in tidal flat survey in Shanghai

QIN Chang-Jie1, XIE Min-Zhen2
(1. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China; 2. Shanghai Shatian School, Shanghai 200062, China)

With the rapid development of ocean, the underwater topograpic survey work has become increasingly important, this paper introduces the CORS RTK underwater topographic survey technology without tidal observation’s principle and method, this method improves the measurement process, reduce the number of personnel and equipment, improve work efficiency, to achieve high accuracy and fast underwater topographic survey. Combined with its application in the measurement of tidal flat in Shanghai, the advantages of the method are demonstrated through the analysis of the internal and external coincidence accuracy. It has a good application prospect in the underwater topographic survey of offshore.

CORS RTK; without tidal observation; underwater topographic survey; tidal flat

P204

A

2095-1329(2017)01-0096-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.01.022

2017-02-16

修回日期: 2017-03-23

秦昌杰(1984-),男,工程师,主要从事地面沉降监测与近岸海域地质环境调查研究.

电子邮箱: shigs_84@126.com

联系电话: 021-56618278