趙瀛舟

（1.中國長江三峽集團(tuán)公司 測量中心，湖北 宜昌 443133）

水下地形GPS測量實施辦法

趙瀛舟1

（1.中國長江三峽集團(tuán)公司 測量中心，湖北 宜昌 443133）

介紹了利用GPS手段進(jìn)行水下地形測量的方法，對GPS的技術(shù)發(fā)展和測深儀的測深原理及現(xiàn)場測量方法、導(dǎo)航定位、測量數(shù)據(jù)后處理等進(jìn)行了闡述，該測繪技術(shù)將在我國的水電工程施工中發(fā)揮非常重要的作用。

水下地形；GPS；測深儀；測量

水下地形圖是以高程和水下等高線表示水下地貌變化的，水下地形測量需在水上進(jìn)行動態(tài)定位和測深，作業(yè)比陸上地形測量困難。水下地形圖不僅是水利水電工程勘測設(shè)計的重要基礎(chǔ)資料，還在監(jiān)測橋梁安全、觀測水庫淤積、防洪抗旱、河道治理等方面發(fā)揮著作用。三峽工程中，水下地形圖在大江截流、圍堰拆除、航道清淤等工作中有著廣泛的使用。

1 GPS水下地形定位方法

1.1 GPS RTK定位方法

根據(jù)測站的運(yùn)動狀態(tài)，GPS定位方法分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，動態(tài)GPS大多采用GPS RTK定位。具體工作時，在一個已知坐標(biāo)點上設(shè)置基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站對在視場的GPS衛(wèi)星（一般需要4顆以上）進(jìn)行連續(xù)跟蹤測量，并按規(guī)定的時間間隔，實時地把載波相位觀測值及測量坐標(biāo)信息等數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)鏈傳送給流動站，流動站利用收到的信息和采集的GPS觀測值進(jìn)行求差解算，組成差分觀測值進(jìn)行實時處理，消除或減小星歷誤差、星鐘誤差、大氣層延遲誤差等公共誤差，從而獲得高精度的位置坐標(biāo)。

1）GPS RTK基準(zhǔn)站的組成?；鶞?zhǔn)站由GPS接收機(jī)、電臺及發(fā)射天線、直流電源等組成（見圖1）?；鶞?zhǔn)站GPS接收機(jī)一般安置在已知點上，將GPS接收機(jī)與GPS控制面板、GPS電源及電臺連接，并對GPS測量模式進(jìn)行選擇，將已知點坐標(biāo)輸入儀器，完成GPS基準(zhǔn)站的配置后，由直流電源給電臺提供電源。

2）GPS RTK流動站的組成。流動站包括GPS接收機(jī)和天線兩部分，將GPS接收機(jī)與GPS控制面板、GPS電源、天線和筆記本電腦連接，選擇測量模式，啟動儀器。當(dāng)接收到衛(wèi)星信號、電臺信號后，測量數(shù)據(jù)成固定解時，才可以開始工作。

圖1 GPS RTK基準(zhǔn)站的組成

1.2 CORS系統(tǒng)定位方法

CORS系統(tǒng)是由多個GPS參考站組成的，主要通過Internet和無線通信網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)覆蓋的服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶提供參考站坐標(biāo)和參考站GPS觀測數(shù)據(jù)，用戶通過Internet下載CORS若干參考站數(shù)據(jù)，進(jìn)行精密定位，也可以接收數(shù)據(jù)播發(fā)站對載波相位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時精密定位。建立CORS系統(tǒng)主要依靠GPS技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)。CORS技術(shù)在用途上可以分成單基站CORS和多基站CORS。

1） 單基站CORS系統(tǒng)由GPS參考站(基站)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信模塊（Internet）和流動站組成。GPS參考站(基站)與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間用電纜連接，數(shù)據(jù)服務(wù)器登錄Internet后，基準(zhǔn)站可以每天24 h連續(xù)不斷地運(yùn)行。以南方CORS為例，在基站25 km范圍內(nèi)，只要能夠接收到衛(wèi)星信號、手機(jī)信號的地方，移動站就可以進(jìn)行高精度測量。單基站的組成如圖2所示。

2）多基站CORS是指分布在一定區(qū)域內(nèi)的多臺連續(xù)觀測站，每個觀測站都是1個單基站，同時每1個單基站還有1個中央控制計算機(jī)。由控制軟件自動計算流動站與基站點的距離，將距離近的基準(zhǔn)站的基站差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給流動站。湖北省宜昌市已建設(shè)了以宜昌主城區(qū)、秭歸、長陽、遠(yuǎn)安和枝江5個連續(xù)運(yùn)行參考站多基站CORS系統(tǒng)，平均站間距約42 km，覆蓋面積約1萬多km2。

圖2 單基站的組成

2 回聲測深儀的介紹

2.1 回聲測深原理

回聲測深儀由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射換能器、接收換能器、顯示設(shè)備和電源組成。水深測量經(jīng)歷了測繩重錘測量（點測量）、單頻單波束測深（點測量）、雙頻單波束測深（點測量）、多波束測深（面測量）、機(jī)載激光測深（面測量）幾個階段。回聲測深原理是利用安裝在測量船下的發(fā)射機(jī)換能器，垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C傳播到水底，經(jīng)反射或散射返回，被接收機(jī)換能器接收。設(shè)經(jīng)歷時間為t，換能器的吃水深度D，則換能器表面至水底的距離，即水深H為：

2.2 回聲測深作業(yè)過程

1）回聲測深儀的安裝連接。測深儀的聲系統(tǒng)一般安裝在船舷側(cè)，船舶航行時產(chǎn)生的氣泡和漩渦，會嚴(yán)重影響測深能力，因此聲系統(tǒng)必須安裝在沒有進(jìn)出水管、船殼附近水流平緩、不發(fā)生擾動影響的部位，一般選擇在距船艏1/3～2/5處。換能器放入水中的深度在連接桿長度允許的前提下，盡可能深一些，大致在0.5～1.2 m范圍內(nèi)。換能器導(dǎo)流罩“鈍”的一頭朝船艏，“尖”的一頭朝船尾?，F(xiàn)場測量時，測深儀的連接設(shè)備有換能器、12 V直流電源、電腦等。

2）回聲測深儀設(shè)置。測深儀連接好后，量取吃水線（換能器面到水面的距離）和淡水的溫度，根據(jù)水溫參考表，獲得聲速值進(jìn)行設(shè)置。啟動測深儀，選擇測深范圍的倍乘開關(guān)至“*1”檔時，量程開關(guān)各檔面板所標(biāo)的數(shù)據(jù)即為實際的測深范圍。通過吃水、聲速按鈕對吃水、聲速進(jìn)行設(shè)置，調(diào)整并校驗設(shè)置零點位置。測深儀設(shè)置好后，所測水深一般應(yīng)使用測繩重錘測量進(jìn)行復(fù)核，滿足要求后才能進(jìn)行測量。

3 現(xiàn)場測量

3.1 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

在GPS測量中，GPS數(shù)據(jù)通常采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，利用RTK技術(shù)進(jìn)行GPS測量時，首先需要轉(zhuǎn)換成地方獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，這是項非常重要的工作，轉(zhuǎn)換參數(shù)精度的高低直接影響測量成果的精度。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時要注意，求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)所使用的已知控制點（通常稱為基準(zhǔn)點）的精度、密度及分布狀況對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解質(zhì)量有著直接影響。因此，所選定的基準(zhǔn)點要求精度要高，并且應(yīng)均勻分布。基準(zhǔn)點的數(shù)量視測區(qū)的大小一般取3～6個為宜。

3.2 測量前的準(zhǔn)備過程

3.2.1 工程項目的建立及計劃線的繪制

進(jìn)行水下地形測量時，首先需要使用導(dǎo)航軟件進(jìn)行導(dǎo)航定向。

1）建立工程：輸入文件名稱、保存路徑、設(shè)置坐標(biāo)系參數(shù)。

2）布設(shè)計劃線：根據(jù)測量范圍和水流流向，進(jìn)行計劃線的布設(shè)。計劃線可以在CAD中畫好，打碎后導(dǎo)入軟件中，也可以在軟件中進(jìn)行設(shè)置。該軟件的布設(shè)方式有全屏布線、區(qū)域布線、航道布線。一般采用航道布線，輸入航行控制點、航道間距、航道長度，就可以繪制出計劃線。

3.2.2 通信參數(shù)的配置

1）GPS通信參數(shù)配置時需要注意設(shè)備型號、設(shè)備端口常數(shù)要和儀器的設(shè)置一致，其配置界面見圖3。

圖3 GPS通信參數(shù)配置界面

2）測深儀參數(shù)配置不僅要求設(shè)備型號、設(shè)備端口常數(shù)和儀器的設(shè)置一樣，還需要注意在進(jìn)行水下地形測量時，一定要選擇“使用”，否則，沒有水深記錄數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)的采集，GPS值最好是固定解，有困難時，可以使用差分解（見圖4）。

圖4 測深儀通信參數(shù)的配置

3.3 水下地形測量過程

進(jìn)行水下地形測量時，首先連接主要設(shè)備，然后進(jìn)行測量。1）水深檢測，利用測深錘和測量水深進(jìn)行對比。2）平面位置檢測，利用全站儀測量船只固定時GPS接收器的坐標(biāo)，并進(jìn)行對比。

3）進(jìn)行測量時，首先進(jìn)入測量界面，按界面顯示的船只位置，布設(shè)計劃線路，然后選定計劃線路進(jìn)行測量，最好每條測線保存1個文件，并讀取測量時的水位標(biāo)尺和觀測時間。測量時，界面會顯示當(dāng)時的很多信息，需要隨時注意查看。

3.4 后期處理及繪圖

根據(jù)測量斷面，打開文件，通過采集水深取樣界面，可以逐條檢查測量斷面，將突變的數(shù)值進(jìn)行處理。通過觀測測量時的水深，對水下高程進(jìn)行改正并導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)。利用繪圖軟件進(jìn)行水下地形圖的繪制，等深線用虛線表示。

4 技術(shù)拓展

GPS RTK、測深儀和導(dǎo)航軟件進(jìn)行水下地形測量技術(shù)已經(jīng)非常成熟。隨著CORS技術(shù)的發(fā)展，測量范圍越來越廣，水下地形導(dǎo)航測量原理同樣適用于陸地測量，我們對此進(jìn)行了初探和實驗。在比較開闊的路線測量中，可以使用車載GPS測量，由于路面比較平坦，車速均勻，精度高于水下測量成果?；鶞?zhǔn)站采用CORS單基站，在車頂布置GPS接收機(jī)（圖5），可以進(jìn)行三峽壩區(qū)及專用公路整個施工區(qū)的測量工作。作業(yè)前，用水準(zhǔn)儀準(zhǔn)確測定路面至GPS接收機(jī)的距離，用來設(shè)置天線高，根據(jù)測量水下地形測量方法和注意事項，可得到理想的測量成果。此技術(shù)同樣適用于大范圍、視野開闊、比較平坦地區(qū)的地形測量，只要把GPS接收機(jī)的載體進(jìn)行更換，使用更方便于工作現(xiàn)場的交通工具就可以極大地提高工作效率。

圖5 車載GPS測量圖

5 結(jié) 語

經(jīng)過多年的測量實踐，GPS測量水下地形確實能極大地提高工作效率。隨著我國“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的提供，GPS測量技術(shù)將在水電工程施工中發(fā)揮非常重要的作用。

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表1 變化檢測結(jié)果

其中，檢測概率為5 318/6 006=0.885 4；虛警率為368/31 092=0.011 8；漏警率為688/6 006=0.114 6；檢測誤差為0.011 8+0.114 6=0.124 6；Kappa系數(shù)為0.924 1。

3 結(jié) 語

從本文實驗得到的變化檢測結(jié)果來看，基于快速獨(dú)立分量分析法的變化檢測具有較高精度?？焖侏?dú)立分量分析可以看作是PCA的一種擴(kuò)展，它將數(shù)據(jù)變換到相互獨(dú)立的方向上，使經(jīng)過變換所得到的各個分量之間不僅正交而且相互獨(dú)立，是一種處理高階統(tǒng)計的數(shù)據(jù)分析方法，能夠消除影像間的高階相關(guān)，適合遙感圖像的變化檢測。

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第一作者簡介：孫喜梅，工程師，研究方向為遙感應(yīng)用技術(shù)。

P229

B

1672-4623（2015）04-0108-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.039

趙瀛舟，工程師，主要從事工程測量技術(shù)的研究和應(yīng)用。

2013-08-23。