GPS-RTK 有无验潮模式同步进行水深测量研究

王志文，雷力军

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

关键字：GPS 测量；GPS-RTK 无验潮模式；有验潮模式；水深测量

引言

水深测量一般采用验潮仪对水位进行控制，这种水位控制方法可以提供高精度的水位结果，但投放在水里的验潮仪容易出现移动、丢失、破坏、被泥沙掩埋等情况，导致数据丢失或不可用，无法有效对水深数据进行水位改正，导致水深测量数据失效，造成较大的经济损失。GPS-RTK 能提供三维坐标数据，目前已被广泛应用在多种测量工作场景中，其测量精度可达到cm 级。目前其应用场景主要集中在陆地测量，水深测量应用较少，出现这种情况的这主要原因是GPS-RTK 的工作有效半径较小，基本在在10 km 左右。但若在GPS-RTK 有效工作半径范围内，GPS-RTK 无验潮模式的水深测量可实时获取水面高程数据，从而可避免因无水位数据导致水深测量结果失效造成的经济损失[1-2]。为了提高工作效率以及避免经济损失，在GPS-RTK有效工作范围内进行水深测量时，可同时采用有验潮模式和GPS-RTK 无验潮两种模式进行水深测量，当验潮仪未被破坏时采用有验潮模式进行数据处理，反之采用GPS-RTK 无验潮模式进行数据处理。本文采用孟加拉某河道水深测量项目为依托，对其测量流程进行梳理和研究以及探明GPS-RTK无验潮水深测量结果的精度如何。

1 水深测量工作原理

1.1 有验潮模式水深测量工作原理

水深测量时将自容式潮位仪安装在专用验潮仪架中并置于水底，以防止观测过程中出现移动。为传算主验潮仪（从布设岸边的验潮仪中选取一个）零点高程，测量期间在主验潮仪处同时进行人工水位观测。测量完毕后，采用同步期平均海平面法传算验潮仪副站零点高程，进而计算各验潮站各时刻水位[3-4]。水深测量原理示意图可见图1 所示。

图1 水深测量原理示意图

H2表示静吃水，即换能器底端距海面的距离，可通过现场测量得到；

H3表示换能器底端距海低的距离，即测深仪的测量数据；

H4表示海底与海面之间的距离可用H2和H3表达，具体表达公式为H4=H2+H3。

测量结束后，根据验潮仪提供的水位数据W对测量得到的水深数据进行水位改正，从而得到海底高程h，可用公式表达如下：h=W-H4。

1.2 GPS-RTK 无验潮模式水深测量工作原理

水深测量时在陆地架设一台GPS 基准站提供差分信号，在测量船上安置一台GPS 流动站接受基站的差分信号，从而获取实时的坐标和高程[5-6]。根据示意图1 其工作原理可表达如下：

H1表示GPS 接收机天线到海面的距离，可通过现场测量得到。

H2、H3和H4的含义与上述相同。根据GPS接收机获取的实时高程数据H 可计算相应海底的高程h，其计算公式如下：h=H-H1-H4。

2 水深测量

我司在孟加拉博杜地区承担了某河道水深测量任务，测区距离河流入海口约17 km，属于感潮河段，潮汐影响水位变化可达2 m。为有效控制水位，减弱水位纵向落比差的影响，共布设5 个临时潮位站SC1、SC2、SC3、SC4、SC5，将SC3 作为主潮位站并设立人工水位观测站进行人工水位观测，用于引测其它各站潮位仪零点高程。

根据以往在孟加拉的工作经验，投放的验潮仪非常容易被破坏和丢失。为了避免因验潮仪丢失导致水深测量工作失效，以及按时向业主提交数据资料，我司采用GPS-RTK 无验潮和有验潮双模式水深测量同步进行的方法进行测量。本次水深测量使用中海达H32 型GPS 接收机、中海达HD370 型单波束测深仪和DCX-25PVDF 型自容式潮位仪。

2.1 坐标转换参数计算

为满足三维水深测量的需求，选取了位于河道两侧的四个三维控制点K1、K2、K3、K4 和3 个高程点C1、C2 和MJ，采用GPS 静态模式进行联测，进而解算了测区内WG4-84坐标和大地高到当地坐标以及高程的转换七参数。

2.2 测量船舶动吃水

船舶航行时，因水动力作用会出现船体升沉现象，这种现象会引起测深仪换能器吃水变化，其相对于静态吃水的变化量为船舶动态吃水。采用“RTK 定位法”测定测量船在工作船速状态下换能器位置动吃水改正数[7]。

2.3 测量海水密度

自容式潮位仪是测量海水总压力（水压与气压之和）的设备，其中海水密度ρ是影响潮位仪计算水深的重要因素。海水密度受水温、盐度等因素共同影响，在不同季节、不同海区有着较大差异。因此为快速有效获取本工程区域海水密度，用深度对比法（通过精准测量潮位仪入水深度反算海水密度方法）实际测量投放位置的海水密度[8]。

2.4 测深仪设置

在测深仪测量软件中进行坐标设置以及输入坐标转换七参数，并将测线导入到软件中。

2.5 水位控制

本次河道测量水位观测站均采用自容式潮位仪进行水位观测，自容式潮位仪是通过测量水压（包括大气压）变化计算获得水深数据的一种测量设备。根据水深测量进展情况进行水位观测工作，水位站观测时段信息见表1 所示。

表1 水位站观测时段信息表

1）水位观测

自容式潮位仪安装在专用验潮仪架中并置于水底，以防止观测过程中出现移动。数据采集时间间隔为10 分钟，整10 分钟时刻进行数据观测，时间系统采用北京时。同步验潮期间为消除大气压影响，同时进行大气压观测。为传算SC3 验潮仪零点高程，测量期间在SC3 处进行人工水位观测。

2）潮位站验潮仪零点高程求取及瞬时水位计算

根据潮位仪的观测值（水压和气压之和）、大气压观测值通过公式(1)计算各时刻水深值。

式中：h 为水深值；P 为水压观测值（水压和气压之和）；Ap 为大气压观测值；g 为重力加速度（根据当地纬度与理论公式解算重力加速度，g=9.787565 m/s2）；ρ 为海水密度（用深度对比法计算获得，ρ=1.020 kg/dm3）。

通过SC3 处人工水位观测值与对应的SC3 潮位站潮位仪的水深值，计算出该潮位站验潮仪的零点高程，从而计算得到该站各时刻水位。

以SC3 潮位站为主站，采用同步期平均海平面法传算潮位站SC1、SC2、SC4、SC5 验潮仪零点高程，进而计算各潮位站各时刻水位。

3）潮位站同步验潮数据分析

通过同步验潮数据，水位数据正常、无跳点、水位曲线圆滑且成正弦曲线。各潮位站之间的潮位差数据均相对于SC3 潮位站，见表2。

表2 潮位站潮时差及潮高差统计表

2.6 水深测量施测

测深仪换能器固定在船舷中部，量取换能器静吃水值并在测深仪采集软件中设置相应参数，GPS接收机天线固定在测深仪换能器顶端，保证测深点与测深定位点在同一垂线上。

水深测量时将GPS 接收机连接测深仪，启动测深仪中的电脑系统打开导航测深软件，在软件中进行坐标转换参数、声速等参数设定，待测深仪正常接收GPS RTK 信号后，启动测深系统同步采集测深点定位数据及测深数据，数据采集时间设定为北京时间。测深仪放置在驾驶室，船长按照测线行驶，测量人员监视测深及导航数据采集情况。测量过程中换能器安装杆无倾斜、升降现象，定位数据和测深数据连续可靠。

每个工作日于测深前后均利用校验板进行测深仪测深校正，实测各整米位深度，求出各整米位实际深度与实测水深的不符值，在数据处理时对水深数据进行改正，以保证测深数据精度。

3 数据处理

水深测量外业结束后，使用中海达的《水深资料处理软件5.50》进行水深数据处理，分别通过三维水深测量数据处理方式和水位改正数据处理方式，两种方式数据处理流程见图2 所示。

图2 数据处理流程图

为检查GPS-RTK 无验潮水深测量成果精度，与有验潮数据进行了水深数据对比，选取了三种不同类型的断面进行比较，见图3 所示。

图3 两种测量模式对比图

通过图3 可以看出，两种测量模式得到的水深结果吻合度很好，水深结果在不同地形处的趋势一致。为进一步检验无验潮模式的测量精度，将所有同名点得到的两套高程值进行差值计算，将差值数据进行统计分析，具体结果可见表3 所示。

表3 两种模式测深结果比对表

根据表3 数据结果，表明两种测量方式具有良好的一致性，采用GPS-RTK 无验潮水深测量方式能够满足1:1000 及以上大比例尺的水深测量要求。

4 结语

采用有验潮模式的水深测量可以获得高精度的水位测量结果，但验潮仪容易发生丢失、破坏等情况，会导致测量工作的失效，需要重新补测，造成极大的经济损失。GPS-RTK 无验潮水深测量可实时获取水面高程，避免因缺少水位数据造成的经济损失。因此在GPS-RTK 有效工作范围内的水深测量可采用这两种测量模式同步进行，当验潮仪受到破坏时则采用无验潮的测量结果，既避免了经济损失又能按时提交测量数据。