裴運(yùn)軍

（深圳市長(zhǎng)勘勘察設(shè)計(jì)有限公司 深圳市 518003）

傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法是在岸邊選擇通視條件良好的幾個(gè)控制點(diǎn)，架設(shè)經(jīng)緯儀（2 臺(tái)交會(huì)）或全站儀，實(shí)時(shí)觀測(cè)船體上的固定目標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算獲得測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，再利用水面高程與所測(cè)水深數(shù)據(jù)來(lái)求得測(cè)量點(diǎn)的水底高程。這種測(cè)量方法測(cè)量精度差、效率低，同時(shí)要進(jìn)行水位測(cè)量，而且很難做到平面與高程的同步觀測(cè)。

隨著GPS-RTK 技術(shù)的迅速發(fā)展，在水下地形測(cè)量中使用高精度GPS 定位和數(shù)字測(cè)深技術(shù)成為當(dāng)今水下地形測(cè)量的首選方案。該技術(shù)無(wú)需測(cè)量水面高程，將GPS 與測(cè)深儀、電腦等設(shè)備聯(lián)在一起，組成水下地形測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量時(shí)僅需1～2 名操作員，不僅減少了作業(yè)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且大大提高了工作效率。

1 GPS 差分技術(shù)水下地形測(cè)量系統(tǒng)組成

組成GPS 水下地形測(cè)量系統(tǒng)的主要設(shè)備為：2臺(tái)帶實(shí)時(shí)差分GPS 接收機(jī)和1 臺(tái)數(shù)字式測(cè)深儀。其中1 臺(tái)GPS 接收機(jī)作為參考站設(shè)置在岸上的已知點(diǎn)上，另1 臺(tái)在測(cè)深船上作為流動(dòng)站，在測(cè)深船上將GPS 接收機(jī)、數(shù)字化測(cè)深儀、便攜式電腦連接成水下地形測(cè)量系統(tǒng)。設(shè)備連接如附圖。

附圖 設(shè)備連接圖

GPS 接收機(jī)與測(cè)深儀的換能器之間，由一根固定長(zhǎng)度的桿件連接在一起，GPS 天線位于測(cè)深儀探頭正上方，并將兩者固定在船的側(cè)面，使GPS 天線與換能器的連接桿垂直于水面，這樣可保證測(cè)深儀探頭與GPS 天線的平面坐標(biāo)一致。利用測(cè)深儀系統(tǒng)的控制裝置可使接收機(jī)天線與換能器同步工作，即在GPS 接收機(jī)測(cè)量三維坐標(biāo)的同時(shí)，測(cè)深儀也測(cè)得其底面以下部分的水深。

作業(yè)開始后，當(dāng)參考站（GPS 基準(zhǔn)站）的GPS 接收機(jī)接收到五顆以上衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，立即通過(guò)電臺(tái)將數(shù)據(jù)鏈發(fā)射給流動(dòng)站，流動(dòng)站接收到數(shù)據(jù)鏈后，自動(dòng)解算出自身位置的平面坐標(biāo)和水面高程，并將以上數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)串口傳輸給計(jì)算機(jī)，同時(shí)數(shù)字化測(cè)深儀把同步測(cè)得的水深數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)另一擴(kuò)展串口（利用計(jì)算機(jī)上PCMCIA 插槽插入PCMCIA 卡來(lái)擴(kuò)展）傳輸給計(jì)算機(jī)，測(cè)量軟件根據(jù)設(shè)定的參數(shù)同步記錄一個(gè)既有測(cè)深點(diǎn)的平面坐標(biāo)和水面高程，又有水深值的數(shù)據(jù)文件。

2 基本原理

2.1 水下地形點(diǎn)坐標(biāo)和高程值的獲取

GPS RTK 動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分測(cè)量技術(shù)。載波相位差分測(cè)量的定位精度很大程度上依賴于整周模糊度能否在航精確確定。整周模糊度在航解算（OTF）是一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下的模糊度確定方法，它可省去在精密動(dòng)態(tài)定位中的的靜態(tài)初始化過(guò)程。常規(guī)精密定位中復(fù)雜的整周跳變問(wèn)題也因OTF 的引入變得十分簡(jiǎn)單。載波相位差分測(cè)量整周模糊度的確定模型為：

式中 Xk=（dxdydzx y z dn0dn1…dnm）——狀態(tài)向量；

Φk-1——狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；

Hk,φ——載波相位的測(cè)量矩陣；

Rk,φ——載波相位的方差陣；

Qk——系數(shù)陣。

由上式計(jì)算得到整周模糊度N 后，代入載波相位觀測(cè)方程，便可以獲得厘米級(jí)的平面定位精度。

1996年1月，泛海系作為股東之一的民生銀行正式成立，成為中國(guó)第一家主要由民營(yíng)企業(yè)發(fā)起設(shè)立的全國(guó)性股份制商業(yè)銀行，注冊(cè)資金為13.8億元。

動(dòng)態(tài)測(cè)量船上天線的空間坐標(biāo)由GPS 自動(dòng)處理，解算后的三維坐標(biāo)通過(guò)串口輸出到筆記本電腦中。只要量取GPS 天線相位中心到換能器之間的垂距hG-T以及換能器吃水深度便可得水面的高程Vs，進(jìn)而獲得水底點(diǎn)的高程Vd。設(shè)V 為測(cè)量的水深，GPS 相位中心的高程為VG，則水底點(diǎn)的高程hd可表達(dá)為：

這種方法無(wú)須進(jìn)行水位改正，直接得到同陸地高程基準(zhǔn)一致的高程。

2.2 水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)采集密度的控制、船體運(yùn)行軌跡和船速的確定

測(cè)深船在工作過(guò)程中，筆記本電腦不斷從GPS中接收數(shù)據(jù)，在Trimble GPS 中，其串口的輸出信息串中帶有GPS 天線的三維坐標(biāo)和UTC 時(shí)間，可以根據(jù)信息串中的平面坐標(biāo)求出與上一點(diǎn)的航行距離D，如果D 小于采集控制密度D 控，則放棄該數(shù)據(jù)，若D 等于或大于D 控，則筆記本電腦將該點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存。

將采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接起來(lái)，并將圖形在筆記本電腦上顯示，即得到測(cè)深船的運(yùn)行軌跡。

在求出兩點(diǎn)的距離后，根據(jù)UTC 求出兩點(diǎn)間的航行時(shí)間T，則測(cè)量船的即時(shí)船速可按下式求出：

根據(jù)測(cè)深船在地形圖上的運(yùn)行軌跡和速度，可以對(duì)測(cè)量船的航行進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)操作方法

置GPS 接收天線于控制點(diǎn)上，在測(cè)站附近架設(shè)好電傳天線。將量取的GPS 天線高和該控制點(diǎn)的WGS-84 經(jīng)緯度坐標(biāo)輸入GPS 手薄中并啟動(dòng)GPS主機(jī)，再在同一文件下（保證各參數(shù)相同）啟動(dòng)GPS流動(dòng)站并進(jìn)行初始化處理，待流動(dòng)站GPS 接收機(jī)得到固定解后，用流動(dòng)站接收天線檢測(cè)另兩個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)，正確后將GPS 流動(dòng)站移到測(cè)深船上。

打筆記本電腦，啟動(dòng)水下地形測(cè)量程序，新建一測(cè)量任務(wù)，命名為SZH1，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、探頭吃水深度、天線高度、以及數(shù)據(jù)采集密度輸入電子手簿中，隨后打開測(cè)深線布置圖，即可開始觀測(cè)。隨著測(cè)量船的前進(jìn)，筆記本電腦自動(dòng)將GPS 接收機(jī)中的定位數(shù)據(jù)換算成當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系和高程，筆記本電腦中的船形標(biāo)志會(huì)在屏幕上繪出船體的運(yùn)行軌跡，將圖形放大，可以查看地形點(diǎn)的位置和高程，操作員所要做的是指揮船的運(yùn)行方向，使測(cè)量船的軌跡線與測(cè)深線一致。并隨時(shí)查看電腦中的信息，當(dāng)GPS 接收機(jī)所測(cè)衛(wèi)星信號(hào)出現(xiàn)失鎖時(shí)，電腦會(huì)出現(xiàn)“無(wú)固定解”的提示信息。此時(shí)，需重新初始化。由于數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集實(shí)時(shí)保存在電腦中，不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)丟失。

每天采集完數(shù)據(jù)后，將筆記本電腦中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至個(gè)人電腦上進(jìn)行地形圖的詳細(xì)編輯。

4 資料處理

野外測(cè)量結(jié)束后，在室內(nèi)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括水深取樣、綜合改正輸出、剔除因頻率漂移出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)合并、格式轉(zhuǎn)換等；按照數(shù)字化成圖軟件要求的格式形成水下地形點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，完成展點(diǎn)、等深線生成、注記等工作，保存圖形，并以需要的比例尺輸出圖形。

5 結(jié) 語(yǔ)

與傳統(tǒng)的水下測(cè)量模式相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）用GPS RTK 技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量省去了水位觀測(cè)（即無(wú)驗(yàn)潮），不存在水位觀測(cè)誤差（潮汐與水流影響）和水位內(nèi)插誤差，提高了水深測(cè)量精度。

（2）適用于無(wú)驗(yàn)潮站水域，拓寬了其應(yīng)用范圍。

（3）使用一體化測(cè)量系統(tǒng)，減少了作業(yè)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。

（4）測(cè)量前必須對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性；對(duì)回聲測(cè)深儀進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)和一致性檢驗(yàn)，保證測(cè)深結(jié)果的正確性。

1 呂繼書.GPS 結(jié)合測(cè)深儀水下地形測(cè)量原理與應(yīng)用[J].天然氣與石油，2010，49（4）：50-52.

2 梁開龍.水下地形測(cè)量[M].北京：測(cè)繪出版社，1995.

3 李征航，黃勁松. GPS 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.