張明浩

摘要：疏浚工程水下測(cè)量基本上均采用“GPS+計(jì)算機(jī)（含數(shù)據(jù)處理軟件）+測(cè)深儀”的測(cè)量模式。介紹GPS-RTK及數(shù)字測(cè)深儀結(jié)合組成的水下地形測(cè)量系統(tǒng)的工作原理，利用該系統(tǒng)作業(yè)時(shí)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的過程，對(duì)測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用做簡(jiǎn)單闡述，并總結(jié)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)來指導(dǎo)今后的工作。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù);水下地形測(cè)量;外業(yè)施測(cè);測(cè)量數(shù)據(jù)后處理

水下地形測(cè)量是疏浚工程的重要步驟，其主要包括定位及測(cè)深兩大部分。傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法主要是采用經(jīng)緯儀配合測(cè)距儀、經(jīng)緯儀交匯、全站儀獲取水下地形點(diǎn)的平面位置，然后利用測(cè)深桿法、測(cè)量錘法和回聲測(cè)深儀法等獲得該處的水深，從而獲得水下點(diǎn)的三維坐標(biāo)。但上述傳統(tǒng)方式容易受儀器精度、距離、天氣、通視及通訊等條件的限制，工作效率很低。由于受水流、測(cè)量船體的非線性運(yùn)動(dòng)以及測(cè)量人員的熟練程度和配合因素的影響，斷面點(diǎn)定位精度不高，嚴(yán)重影響斷面測(cè)量的質(zhì)量。近年來隨著GPS-RTK技術(shù)的發(fā)展，水下測(cè)量技術(shù)取得了相應(yīng)的進(jìn)步，已趨于成熟。GPS-RTK配合測(cè)深儀技術(shù)簡(jiǎn)單、方便、快速、高效、可以全天候作業(yè)、提高測(cè)量精度，適用于面積較大、地形復(fù)雜、較深的水域，在疏浚工程中起到了舉足輕重的作用

一、GPS-RTK配合測(cè)深儀水下地形定位測(cè)量技術(shù)原理

對(duì)于疏浚工程，水下地形測(cè)量就是測(cè)量水底表面高程，其測(cè)量方法基于GPS-RTK技術(shù)和數(shù)字測(cè)深技術(shù)的原理。目前水上定位基本采用RTK、RTD、CORS等技術(shù)。一套GPS、測(cè)深儀器、手提電腦和應(yīng)用軟件就組成了一套完整的水下測(cè)量設(shè)備。以RTK定位模式為例，水下地形測(cè)量包括以下幾個(gè)部分：

1.水下地形測(cè)量的軟硬件配置為：RTK測(cè)量基準(zhǔn)站、GPS流動(dòng)站、測(cè)量船、測(cè)深設(shè)備、海洋測(cè)量軟件、計(jì)算機(jī)、電源等，如圖所示。

水下測(cè)量軟硬件配置圖

2.測(cè)區(qū)控制點(diǎn)成果收集、分析，收集分析測(cè)區(qū)控制點(diǎn)成果，包括平面、高程系統(tǒng)、等級(jí)、控制點(diǎn)的精度儲(chǔ)備等。

3.GPS-RTK技術(shù)及測(cè)深設(shè)備的使用

GPS-RTK與數(shù)字測(cè)深儀組合成一個(gè)水下地形測(cè)量系統(tǒng)，來獲取水下地形點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。其工作原理是：將GPS流動(dòng)站的天線與測(cè)深儀的換能器安置在同一平面位置，同時(shí)布置在一條小船上，保證RTK的數(shù)據(jù)與測(cè)深儀的數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)絇C。作業(yè)時(shí)流動(dòng)站根據(jù)基準(zhǔn)站通過電臺(tái)發(fā)送的改正數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)改正自身的測(cè)量值獲得點(diǎn)位的厘米級(jí)精度的平面坐標(biāo)并實(shí)時(shí)傳送到PC，同時(shí)數(shù)字測(cè)深儀獲取改平面位置處的水深數(shù)據(jù)發(fā)送到PC，PC根據(jù)觀測(cè)的水面高程計(jì)算出該平面位置處水下點(diǎn)位的高程坐標(biāo)，與RTK獲得的平面坐標(biāo)一起組成水下點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。

水底三維測(cè)量見下圖示：Ht為GPS-RTK測(cè)定的高程;L為GPS接收機(jī)相位中心至測(cè)深儀換能器中心的距離;h為測(cè)深儀換能器中心至水底地面的距離。即測(cè)深儀所測(cè)得的深度，則水底地面高程為

H=Ht-L-h

水底三維測(cè)量示意圖

用豎直波束回聲儀進(jìn)行水深測(cè)量是目前水深數(shù)據(jù)采集的主要手段，它安裝在測(cè)量船底的發(fā)射換能器垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速v在水中傳播到水底后產(chǎn)生回波，回波被接收換能器所接收，發(fā)射聲波與接收回波的時(shí)間為t，則換能器表面至水底的距離（水深）為：

Z = 1/2·vt

回聲測(cè)深原理示意圖

二、疏浚工程外業(yè)施測(cè)

1.求解測(cè)區(qū)坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換關(guān)系與設(shè)備的初始化設(shè)置

觀測(cè)前先對(duì)已知等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行校正，以求出WGS84坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)。GPS流動(dòng)站設(shè)置船臺(tái)上，測(cè)深儀主機(jī)通過連接線與GPS接收機(jī)相連，在測(cè)深儀軟件中，正確輸入當(dāng)?shù)豔GS84坐標(biāo)系與所采用當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2.設(shè)備安裝

測(cè)深儀換能器安裝部位選擇在距離測(cè)量船首的1/3～1/2船長(zhǎng)處，換能器放入水中的深度大致在0.5～1.2m范圍內(nèi)。GPS天線就安裝在換能器安裝桿的頂部，這樣定位的坐標(biāo)與測(cè)深位置為同一位置。測(cè)深儀主機(jī)放在駕駛倉(cāng)中，通過數(shù)據(jù)線與換能器相連，再利用HD-27隨機(jī)海洋測(cè)量軟件，把GPS連到測(cè)深儀后面的串口（COM1或COM2）上，正確設(shè)置好換能器吃水深度、GPS天線中心到水面的距離、聲速等各類參數(shù)。

3.測(cè)深儀與GPS-RTK聯(lián)合數(shù)據(jù)采集

測(cè)深軟件獲取水深值由測(cè)量軟件直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)零延遲傳送，水深和定位達(dá)到了同步。左邊窗口為測(cè)深儀窗口，在測(cè)深時(shí)，系統(tǒng)開始發(fā)射和接受，并顯示回聲圖像，水深輸出口也有相應(yīng)格式的水深輸出，輸入文件名，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)日期，生成一個(gè)不重復(fù)的文件名。右邊窗口為測(cè)量導(dǎo)航窗口，正確設(shè)定好GPS參數(shù)，有效定位解限制（單點(diǎn)定位、時(shí)時(shí)差分、RTK固定解），一般設(shè)為RTK固定解。開始測(cè)量，根據(jù)計(jì)劃指導(dǎo)測(cè)量船的航行方向，并同步采集記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。

三、疏浚工程測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理

外業(yè)測(cè)量要根據(jù)不同的工程項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整，首先對(duì)測(cè)量的測(cè)圖比例的選擇范圍進(jìn)行確定，有時(shí)要根據(jù)施工要求以及施工用途對(duì)測(cè)圖比例尺進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整并說明情況。工程項(xiàng)目的類別及測(cè)圖的比例尺要求一般分為以下幾種情況：

[工程項(xiàng)目類別＼&比例尺選擇范圍＼&說明＼&航道＼&1：2000～5000＼&1.所測(cè)的斷面間距要滿足質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求＼&港池＼&1：1000～2000＼&2.要考慮到工程的性質(zhì)、規(guī)模大小、設(shè)計(jì)要求及施工類型＼&泊位＼&1：500～1000＼&3.符合底質(zhì)情況對(duì)斷面間距的要求＼&吹填區(qū)＼&1：500～2000＼&4.符合工程承包合同的要求及吹填區(qū)的算量要求＼&]

測(cè)圖比例尺確定以后就可以到施測(cè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。作業(yè)完成執(zhí)行“水深采集取樣”模塊，出現(xiàn)水深編輯圖，打開原始水深文件，出現(xiàn)水深水位線。根據(jù)測(cè)量實(shí)際情況對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，以進(jìn)行各類改正并提出粗差。運(yùn)用自動(dòng)化成圖設(shè)備進(jìn)行出圖，加密出圖不會(huì)造成工程量增加，因?yàn)槲覀兂蓤D的測(cè)點(diǎn)間距以圖上1cm為宜。

隨著科技的發(fā)展，利用GPS-RTK 配合測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量將有更廣闊的前景。只有不斷通過疏浚工程水下測(cè)量實(shí)踐，才能積累的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)更好的工藝和方法，指導(dǎo)今后的水下地形測(cè)量工作。