论文部分内容阅读
[摘 要]GPS-RTK结合数字测深仪作为一种新型的水下测量技术，得到广泛应用及推广，本文闡述了该技术的基本原理及作业实施过程，并总结了影响数据精度的因素及相应的解决措施。
[关键词]GPS-RTK 测深仪 水下地形测量
中图分类号：D455 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）13-0300-01
水下地形图是水利水电工程勘测设计重要的基础资料之一，且在河道治理、防洪抗旱、观测水库的淤积、监测桥梁安全等方面均发挥重要作用，尤为重要，水下地形测量工作主要有两大部分——定位及测深，在传统的测量方法中，定位测量一般采用经纬仪交会法、经纬仪配合测距仪极坐标法、全站仪方式等获得平面坐标；测深利用测深杆法、测量锤法及回声测深仪等获得平面水深，进而推算出该位置的水下高程。近年来，随着GPS技术的发展及其在测绘中的广泛应用，测绘工作有了全面革新，利用GPS-RTK配合数字测深仪进行水下地形测量，不但减轻了野外作业劳动强度，更极大提高了内外业工作的效率及精度，值得推广。
1.工作原理
RTK系统的构成含三部分，一个基准站、若干个流动站及无线电通讯系统，在RTK作业模式下，基准站通过无线通讯系统将接收到的伪距、载波相位观测值及坐标信息等一起传送给流动站，流动站完成初始化后，将接收到的信息传递到控制器内，并在系统内进行差分处理，即可实时求得移动站的坐标。测深仪是一种利用声波反射的信息测量水深的仪器，以回声测深仪为例，其工作原理即是利用发射换能器向水下发射一定频率的声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返时间及所测水中声速，即可得到障碍物与换能器之间的距离，加上吃水修正即得水深。利用GPS-RTK结合回声测深仪测量水下定位点坐标与高程的原理，是在测深仪换能器正上方直接安装GPS流动站天线，测量中，在GPS测定换能器底部坐标及高程时，测深仪测定定位点的水深。水下定位点高程计算公式为：H=Hl-H2。式中，H即为水下定位点高程，Hl为换能器底部高程；H2为换能器测量定位点至换能器之间的水深。由公式可见，将GPS测量所得高程减去测深仪测量所得水深值，即为水下定位点高程，换能器坐标即为定位点坐标。
2.水下地形测量的作业步骤
相较于传统的水下地形测量，GPS-RTK技术联合测深仪进行水下地形测量，除配备测量船只、测深设备外，还需两台或以上能实施RTK技术的GPS接收机相配合进行作业。进行外业工作时，驾船、操作测深仪测深、操作GPS接收机进行定位测量等，均由专人负责，实际作业过程，大致可分为前期准备工作、外业数据采集及内业数据整理三大部分。
2.1 前期准备工作
测前准备含仪器设备的准备及作业计划的制定。1）仪器设备：GPS设备：GPS-RTK（1+1）两套；探测仪设备：测深仪一台（包括数据线），电瓶一个，水上测量/导航软件l套，后处理软件一套（动、静态解算和平差、坐标转换）；电脑设备：便携式电脑一部，电瓶一个，电源逆变器一个，插排一个；其他：船一艘，钳子一把，救生衣、铁丝、绳子若干。2）作业计划。掌握好测区地理、形状、天气、水深等信息，做好水深测量的路线、测量距离计划。
2.2 外业数据采集
含施测前的工作准备及水下地形测量作业两部分。现以某港池、航道水下测量作业为例进行具体阐述。测量所选主要设备含南方双频RTK接收2套、HD一27数字化测深仪1台，笔记本电脑1台，外业用中海达海洋导航测量1套，南方CASS7.1内业成图软件1套。1）施测前：先架设好基站，连接电台及电台发射天线。打开GPS，至卫星灯常亮，表示已搜索到卫星；电子手簿开机进入中海达手薄程序界面，设置坐标系、投影参数、转换参数及图定义等相关参数；进行航线设置。该工程测图比例要求为1：2000，结合《水运工程测量规范》（JTJ203-2001）中对测量比例尺1：2000地形图采点密度的规定以及工程实际概况，将测区沿垂直航道方向每20m布设一条航线，进行测量和数据采集。2）水下地形测量：设立基准站，输入控制点坐标；为保证站坐标及各项参数输入准确无误，通过流动站接收机到附近的已知点进行校核，结果符合要求后再行测量工作；将GPS接收机、数字化测深仪与电脑进行连接安装，接上直流或交流电源，打开电源启动系统。打开海洋测量成图软件及测深仪，做好各种设置，如记录设置、接收机数据格式、定位仪及测深仪接口、测深仪配置等，结合导航指示，沿航线在测区进行水深测量。由于测深仪探头须入水面下0.4m以上，加上吃水深问题，因此在水深<1m的浅水区，采用测深仪往往较难进行准确的测量。因此，在该区域可直接用GPS（RTK）测量水下地形点的平面坐标和高程，并记录在电子手簿中。可结合水下地形变化设定测点密度，一般，地形复杂区域采点间隔约10m，平坦区域采点间隔约20m。
2.3 内业数据整理
因外业数据采集均为仪器按设定好的程序自动采集，较难准确地反映水下地形地貌特征，因此还需对外业所采集的数据进行整理。先结合外业测深仪施测的水底断面数据，对未采集到的水底变坡点的坐标和高程进行内业补点加密，做好数据加密处理后，再将测深仪内存储器中的观测数据导入数字成图软件中，生成等深线，进行图面整饰后成图输出。
3.影响水深测量精度的因素及其对策
在实际测量中，因种种因素的影响，测量结果精度可能会受到影响，基于此，为确保水下地形测量精度，在测量过程中应进行控制或修正。
3.1 RTK高程可靠性
无线电干扰源会对信号传播造成影响，影响其传播质量，进而对流动站数据解算结果产生影响，因此，设置基准站时，应选择地势较高处或视野开阔的建筑物顶部，尽量远离高压线、大功率无线电发射站、变电站等无线电干扰源，同时，严格控制流动站与基准站之间的距离。为确保RTK作业时能接收足够多的卫星信号，每次作业前应先查看卫星数量及位置情况，选择最佳时段进行作业，同时应避开14：00：00时段，以减小电离层、对流层影响。施测前，应测定水面高程，分别以GPS直接测定的数据与每条船上的测深仪所测数据加上水面高程进行比对检查，从而确保水下地形测量平面位置及高程的准确性，之后才开始正式作业，进而保证观测数据的准确性。
3.2 测深仪采样速度与船速的匹配
数据采集频率一般设置为1s，而测深仪设置一般为0.33s，也即1s采集3个数据，因测深仪是依据超声波到达水底后放射回波对水深进行确定的，因此在如上周期性采集方式下受船速影响极大，若船速过高，则所测的的水深数据往往会和实际平面位置出现较大差距，因此作业过程中应经常检查吃水深浅及电子线，并确保船速平均且均速<8m/s为宜，同时为控制好船体摇摆姿态，作业时应选择微风或无风天气时，拐弯处要确保船体平稳，速度不超于3节。
3.3 吃水改正
吃水改正含静态吃水及动态吃水。根据换能器相对船体的位置，换能器可按照几何关系求解。动态吃水即是在确定作业船在静态吃水基础上因航行造成的船体吃水的变化，测量时采用霍密尔公式计算船只动态吃水。
总之，GPS-RTK结合数字测深仪进行水下地形测量的工作模式，极大地提高了作业效率，实现了水下地形测量的简单、高效、经济、快捷，当前得到了广泛的应用及推广。当然，因各地工作内容及要求不同，所采用的方法及要求也各有差异，本文所述仅作技术参考和借鉴。
参考文献
【1】 刘伟倬.浅谈GPS结合回声测深仪在水下地形测量中的应用【J】.城市建筑，2013（10）：251.
【2】 林鸿亚.RTK与测深技术在水下地形测量中的应用【J】.环球市场信息导报，2011（43）：119-119.
[关键词]GPS-RTK 测深仪 水下地形测量
中图分类号：D455 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）13-0300-01
水下地形图是水利水电工程勘测设计重要的基础资料之一，且在河道治理、防洪抗旱、观测水库的淤积、监测桥梁安全等方面均发挥重要作用，尤为重要，水下地形测量工作主要有两大部分——定位及测深，在传统的测量方法中，定位测量一般采用经纬仪交会法、经纬仪配合测距仪极坐标法、全站仪方式等获得平面坐标；测深利用测深杆法、测量锤法及回声测深仪等获得平面水深，进而推算出该位置的水下高程。近年来，随着GPS技术的发展及其在测绘中的广泛应用，测绘工作有了全面革新，利用GPS-RTK配合数字测深仪进行水下地形测量，不但减轻了野外作业劳动强度，更极大提高了内外业工作的效率及精度，值得推广。
1.工作原理
RTK系统的构成含三部分，一个基准站、若干个流动站及无线电通讯系统，在RTK作业模式下，基准站通过无线通讯系统将接收到的伪距、载波相位观测值及坐标信息等一起传送给流动站，流动站完成初始化后，将接收到的信息传递到控制器内，并在系统内进行差分处理，即可实时求得移动站的坐标。测深仪是一种利用声波反射的信息测量水深的仪器，以回声测深仪为例，其工作原理即是利用发射换能器向水下发射一定频率的声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返时间及所测水中声速，即可得到障碍物与换能器之间的距离，加上吃水修正即得水深。利用GPS-RTK结合回声测深仪测量水下定位点坐标与高程的原理，是在测深仪换能器正上方直接安装GPS流动站天线，测量中，在GPS测定换能器底部坐标及高程时，测深仪测定定位点的水深。水下定位点高程计算公式为：H=Hl-H2。式中，H即为水下定位点高程，Hl为换能器底部高程；H2为换能器测量定位点至换能器之间的水深。由公式可见，将GPS测量所得高程减去测深仪测量所得水深值，即为水下定位点高程，换能器坐标即为定位点坐标。
2.水下地形测量的作业步骤
相较于传统的水下地形测量，GPS-RTK技术联合测深仪进行水下地形测量，除配备测量船只、测深设备外，还需两台或以上能实施RTK技术的GPS接收机相配合进行作业。进行外业工作时，驾船、操作测深仪测深、操作GPS接收机进行定位测量等，均由专人负责，实际作业过程，大致可分为前期准备工作、外业数据采集及内业数据整理三大部分。
2.1 前期准备工作
测前准备含仪器设备的准备及作业计划的制定。1）仪器设备：GPS设备：GPS-RTK（1+1）两套；探测仪设备：测深仪一台（包括数据线），电瓶一个，水上测量/导航软件l套，后处理软件一套（动、静态解算和平差、坐标转换）；电脑设备：便携式电脑一部，电瓶一个，电源逆变器一个，插排一个；其他：船一艘，钳子一把，救生衣、铁丝、绳子若干。2）作业计划。掌握好测区地理、形状、天气、水深等信息，做好水深测量的路线、测量距离计划。
2.2 外业数据采集
含施测前的工作准备及水下地形测量作业两部分。现以某港池、航道水下测量作业为例进行具体阐述。测量所选主要设备含南方双频RTK接收2套、HD一27数字化测深仪1台，笔记本电脑1台，外业用中海达海洋导航测量1套，南方CASS7.1内业成图软件1套。1）施测前：先架设好基站，连接电台及电台发射天线。打开GPS，至卫星灯常亮，表示已搜索到卫星；电子手簿开机进入中海达手薄程序界面，设置坐标系、投影参数、转换参数及图定义等相关参数；进行航线设置。该工程测图比例要求为1：2000，结合《水运工程测量规范》（JTJ203-2001）中对测量比例尺1：2000地形图采点密度的规定以及工程实际概况，将测区沿垂直航道方向每20m布设一条航线，进行测量和数据采集。2）水下地形测量：设立基准站，输入控制点坐标；为保证站坐标及各项参数输入准确无误，通过流动站接收机到附近的已知点进行校核，结果符合要求后再行测量工作；将GPS接收机、数字化测深仪与电脑进行连接安装，接上直流或交流电源，打开电源启动系统。打开海洋测量成图软件及测深仪，做好各种设置，如记录设置、接收机数据格式、定位仪及测深仪接口、测深仪配置等，结合导航指示，沿航线在测区进行水深测量。由于测深仪探头须入水面下0.4m以上，加上吃水深问题，因此在水深<1m的浅水区，采用测深仪往往较难进行准确的测量。因此，在该区域可直接用GPS（RTK）测量水下地形点的平面坐标和高程，并记录在电子手簿中。可结合水下地形变化设定测点密度，一般，地形复杂区域采点间隔约10m，平坦区域采点间隔约20m。
2.3 内业数据整理
因外业数据采集均为仪器按设定好的程序自动采集，较难准确地反映水下地形地貌特征，因此还需对外业所采集的数据进行整理。先结合外业测深仪施测的水底断面数据，对未采集到的水底变坡点的坐标和高程进行内业补点加密，做好数据加密处理后，再将测深仪内存储器中的观测数据导入数字成图软件中，生成等深线，进行图面整饰后成图输出。
3.影响水深测量精度的因素及其对策
在实际测量中，因种种因素的影响，测量结果精度可能会受到影响，基于此，为确保水下地形测量精度，在测量过程中应进行控制或修正。
3.1 RTK高程可靠性
无线电干扰源会对信号传播造成影响，影响其传播质量，进而对流动站数据解算结果产生影响，因此，设置基准站时，应选择地势较高处或视野开阔的建筑物顶部，尽量远离高压线、大功率无线电发射站、变电站等无线电干扰源，同时，严格控制流动站与基准站之间的距离。为确保RTK作业时能接收足够多的卫星信号，每次作业前应先查看卫星数量及位置情况，选择最佳时段进行作业，同时应避开14：00：00时段，以减小电离层、对流层影响。施测前，应测定水面高程，分别以GPS直接测定的数据与每条船上的测深仪所测数据加上水面高程进行比对检查，从而确保水下地形测量平面位置及高程的准确性，之后才开始正式作业，进而保证观测数据的准确性。
3.2 测深仪采样速度与船速的匹配
数据采集频率一般设置为1s，而测深仪设置一般为0.33s，也即1s采集3个数据，因测深仪是依据超声波到达水底后放射回波对水深进行确定的，因此在如上周期性采集方式下受船速影响极大，若船速过高，则所测的的水深数据往往会和实际平面位置出现较大差距，因此作业过程中应经常检查吃水深浅及电子线，并确保船速平均且均速<8m/s为宜，同时为控制好船体摇摆姿态，作业时应选择微风或无风天气时，拐弯处要确保船体平稳，速度不超于3节。
3.3 吃水改正
吃水改正含静态吃水及动态吃水。根据换能器相对船体的位置，换能器可按照几何关系求解。动态吃水即是在确定作业船在静态吃水基础上因航行造成的船体吃水的变化，测量时采用霍密尔公式计算船只动态吃水。
总之，GPS-RTK结合数字测深仪进行水下地形测量的工作模式，极大地提高了作业效率，实现了水下地形测量的简单、高效、经济、快捷，当前得到了广泛的应用及推广。当然，因各地工作内容及要求不同，所采用的方法及要求也各有差异，本文所述仅作技术参考和借鉴。
参考文献
【1】 刘伟倬.浅谈GPS结合回声测深仪在水下地形测量中的应用【J】.城市建筑，2013（10）：251.
【2】 林鸿亚.RTK与测深技术在水下地形测量中的应用【J】.环球市场信息导报，2011（43）：119-119.