李本超

摘 要：GPS（全球定位系統(tǒng)）是一個(gè)無(wú)線電空間定位系統(tǒng)，它利用導(dǎo)航衛(wèi)星和地面站為全球提供全天候、高精度、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維坐標(biāo)（經(jīng)度、緯度、高程）、三維速度和定位信息，地球表面上任何地點(diǎn)均可以用于定位和導(dǎo)航。而測(cè)深儀是利用聲波反射的信息測(cè)量水深的儀器。兩者結(jié)合使用后內(nèi)河航道水深測(cè)量就變得準(zhǔn)確可靠，簡(jiǎn)便易行，不僅提高了精度而且大大提高了作業(yè)效率。本文以實(shí)例說(shuō)明GPS-RTK技術(shù)與測(cè)深儀配合作業(yè)在內(nèi)河航道測(cè)量中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS-RTK；測(cè)深儀；內(nèi)河航道；水下測(cè)量

0 引言

在內(nèi)河航道測(cè)深中GPS-RTK技術(shù)與測(cè)深儀配合使用的方法得到了快速發(fā)展，已經(jīng)在內(nèi)河航道水下測(cè)量中得到很好的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的測(cè)深方法相比，具有較大的優(yōu)勢(shì)，特別是在航道長(zhǎng)、水域?qū)拸V、水下地形復(fù)雜、水深較大的區(qū)域，水下測(cè)深能簡(jiǎn)單、方便、快速、高效、全天候作業(yè)，同時(shí)大大提高了水深的測(cè)量精度。隨著GPS-RTK技術(shù)的不斷發(fā)展，利用GPS -RTK技術(shù)配合測(cè)深儀進(jìn)行水下測(cè)深將有更加廣闊的前景。

1 概述

1.1 內(nèi)河航道水深測(cè)量主要采用的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位方法

RTK技術(shù)是在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，測(cè)量時(shí)在基準(zhǔn)站安置一臺(tái)GPS接收機(jī)連續(xù)觀測(cè)所有可見(jiàn)GPS衛(wèi)星，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)地發(fā)送給用于移動(dòng)測(cè)量的GPS接收機(jī)（移動(dòng)站）。移動(dòng)站接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示移動(dòng)站的三維坐標(biāo)成果和精度，以滿足測(cè)量和實(shí)時(shí)導(dǎo)航的需求。

1.2 測(cè)深儀

測(cè)深儀就是激發(fā)器在終端顯示裝置的控制下，周期性地產(chǎn)生超聲頻脈沖，通過(guò)換能器轉(zhuǎn)化成有指向性的超聲波脈沖射向水底，聲脈沖經(jīng)水介質(zhì)傳播到水底。一部分能量從水底反射回到換能器，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送至接收機(jī)，再經(jīng)放大器將信號(hào)加以放大、變換，供終端顯示。終端顯示裝置的功能是一方面控制發(fā)射機(jī)周期性地產(chǎn)生振蕩脈沖，另一方面將接收機(jī)收回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射脈沖的延時(shí)時(shí)間，自動(dòng)轉(zhuǎn)換成深度數(shù)據(jù)。假設(shè)聲波在水中的傳播速度為V，當(dāng)在換能器探頭加窄脈沖聲波信號(hào)，聲波經(jīng)探頭發(fā)射到水底，并由水底反射回到探頭被接收，測(cè)得聲波信號(hào)往返行程所經(jīng)歷的時(shí)間為t，則：Z=Vt/2。這就是測(cè)深儀的基本原理。

1.3 利用GPS技術(shù)配合測(cè)深儀測(cè)深的優(yōu)點(diǎn)

目前大多數(shù)GPS采用雙頻接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)了航道測(cè)繪的自動(dòng)化、數(shù)字化、系統(tǒng)化，大大縮短了水下測(cè)深的工作時(shí)間。同時(shí)，GPS無(wú)論晝夜、天氣好壞均可以進(jìn)行作業(yè)測(cè)量，所以能夠滿足各種環(huán)境下的急需測(cè)量的要求，以避免延誤測(cè)量時(shí)機(jī)。只要預(yù)先設(shè)置好航向圖，系統(tǒng)就可以實(shí)時(shí)顯示出測(cè)量船的位置與斷面的偏離距，與斷面上起點(diǎn)、終點(diǎn)位置的距離，從而保證測(cè)量人員嚴(yán)格沿著斷面線進(jìn)行測(cè)量。由于不再需要停船打水深定位，測(cè)量船的行駛速度就是水上測(cè)量速度，所以大大縮短了測(cè)量時(shí)間。加上系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性，可以方便地增加臨時(shí)斷面，以滿足不同測(cè)量精度情況下對(duì)斷面密度的要求。

2 作業(yè)方法

下面以徐州市京杭運(yùn)河航道北段疏浚工程水下測(cè)量為例，詳細(xì)介紹GPS-RTK技術(shù)與測(cè)深儀配合作業(yè)在內(nèi)河航道水下測(cè)量中的具體應(yīng)用。因徐州市京杭運(yùn)河航道北段航道狹長(zhǎng)，水下地形測(cè)量采用斷面法進(jìn)行，斷面線布置與水流方向大致成垂直，斷面線間距為50m，斷面線上測(cè)點(diǎn)間距2m。本次測(cè)量使用的儀器是中海達(dá)GPS和測(cè)深儀，GPS型號(hào)是F61，測(cè)深儀型號(hào)是H370。

2.1 測(cè)量作業(yè)準(zhǔn)備工作

測(cè)量前準(zhǔn)備好機(jī)動(dòng)小船，綁扎測(cè)桿的繩子、扳手、固定在船上的卡子等，一般內(nèi)河航道測(cè)量固定測(cè)桿有兩種方法，一種是用固定在船上的卡子卡住測(cè)桿使之固定不動(dòng)。這種方法牢固不傾斜，但是遇到淺灘時(shí)由于小船的慣性來(lái)不及移動(dòng)測(cè)桿容易造成底部探頭損壞。另一種是用繩索綁扎在船舷旁，有一個(gè)人扶住測(cè)桿，這種方法適合在內(nèi)河航道測(cè)深中，內(nèi)河航道比較狹長(zhǎng)風(fēng)浪小，航道兩側(cè)較淺，如遇淺灘時(shí)，手扶測(cè)桿的人可隨時(shí)傾倒測(cè)桿或稍微提起測(cè)桿，避免測(cè)桿底部探頭損壞。本次航道水下測(cè)量采用的就是這種方法。

2.2 GPS設(shè)置

首先是測(cè)前準(zhǔn)備，即打開(kāi)HI-RTK-ROAD軟件，新建項(xiàng)目、設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)、GPS與手簿連接、移動(dòng)站設(shè)置（網(wǎng)絡(luò)：CORS、源節(jié)點(diǎn)：RTCMiMAX3.0，天線設(shè)置時(shí)一定注意是選取GPS底部，還是GPS量取位置。

2.3 求解GPS轉(zhuǎn)換參數(shù)

由于GPS所采用的坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系，而在我們國(guó)家，實(shí)際的工作中所使用的都是BJ-54，國(guó)家-80、或地方坐標(biāo)系，因此存在WGS-84和當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。本次測(cè)量使用的儀器是中海達(dá)GPS，手簿F61，手簿軟件HI-RTK。采用的是七參數(shù)，因此至少3個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)（已知點(diǎn)可以是國(guó)家坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，或和WGS-84坐標(biāo)系之間存在很小旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，最好3個(gè)以上已知點(diǎn)，可以檢驗(yàn)已知點(diǎn)的正確性）。移動(dòng)站到測(cè)區(qū)已知點(diǎn)上測(cè)量出窄帶固定解狀態(tài)下的已知點(diǎn)原始坐標(biāo)。根據(jù)已知點(diǎn)的原始坐標(biāo)和當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)求解出兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。打開(kāi)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，則RTK測(cè)出的原始坐標(biāo)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)。到另外你至少一個(gè)已知點(diǎn)檢查所得到的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)是否正確。

2.4 測(cè)深儀器設(shè)置

（1）水下測(cè)量時(shí)先用GPS測(cè)出當(dāng)時(shí)的水位，或者是與水文站聯(lián)系以獲取測(cè)量時(shí)水位資料。（2）采集航道水位后把GPS固定在測(cè)桿頂上，然后把 GPS接到串口（COM1或COM2）就可以進(jìn)行水上測(cè)量作業(yè)，運(yùn)行桌面的“NAV370測(cè)量軟件”，然后在當(dāng)前頁(yè)面進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置時(shí)如用的是七參數(shù)一定注意七參數(shù)最后一項(xiàng)輸入時(shí)要將手簿上的數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)前移6位。計(jì)劃測(cè)線調(diào)入也要特別注意，DXF圖形文件不宜過(guò)大，一般在幾十K到幾百K之間，且不能有弧線，必須是折線段，否則測(cè)量軟件不識(shí)別，DXF圖形調(diào)入失敗。然后進(jìn)行記錄設(shè)置，此時(shí)設(shè)置水下測(cè)量采樣間隔，即多少米采集一個(gè)點(diǎn)，本次測(cè)量采樣間隔是2m一個(gè)點(diǎn)。點(diǎn)取測(cè)量方式后此時(shí)應(yīng)該能夠看到小船在屏幕上顯示。（3）最后打開(kāi)左邊的測(cè)深軟件，在設(shè)置里面輸入吃水深度即探頭吃水深度，其他設(shè)置內(nèi)河航道水下測(cè)量可以默認(rèn)設(shè)置就可以了，本次測(cè)量水深設(shè)置為0.3m。這時(shí)一定注意測(cè)深儀顯示器右邊水位要通過(guò)儀器設(shè)置改下天線高，要調(diào)至和當(dāng)前水位一至。點(diǎn)擊確定測(cè)深，這時(shí)探頭開(kāi)始工作，屏幕左側(cè)顯示水下示意圖，同時(shí)實(shí)際水深數(shù)據(jù)也出現(xiàn)在屏幕上。（4）為了測(cè)量工作的準(zhǔn)確性，避免其他方懷疑儀器測(cè)深的準(zhǔn)確性，現(xiàn)在要做的是用打水桿在探頭處檢查此時(shí)水深是否與儀器測(cè)的水深一致，誤差應(yīng)在0.1m以內(nèi)。（5）檢查儀器水深正確后就可調(diào)入測(cè)線，注意測(cè)線斷面密度設(shè)置，根據(jù)建設(shè)要求，基建性項(xiàng)目斷面距離50m，養(yǎng)護(hù)性斷面距離30m，本次航道是基建性項(xiàng)目，所以選擇斷面距離50m。調(diào)入測(cè)線后就可開(kāi)始測(cè)量。

2.5 水下測(cè)量作業(yè)

測(cè)量開(kāi)始后屏幕上就出現(xiàn)點(diǎn)號(hào)并自動(dòng)記錄了，這時(shí)測(cè)量員就可指揮開(kāi)船人員讓測(cè)量船沿著屏幕上的斷面線開(kāi)始滑行，速度最好控制在5節(jié)以內(nèi)，如超過(guò)5節(jié)測(cè)深儀測(cè)出的數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)很多假點(diǎn)，造成數(shù)據(jù)不真實(shí)，必須返工重測(cè)。測(cè)量員還要指揮開(kāi)船人員盡量靠近航道兩側(cè)，這樣就可以減少航道兩側(cè)測(cè)深儀測(cè)不到的地方補(bǔ)點(diǎn)的工作量。水下測(cè)量時(shí)如航道中有船航行時(shí)，應(yīng)等船過(guò)去幾分鐘再進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)榇藭r(shí)水底的淤泥或浮泥被船槳攪起，測(cè)深儀測(cè)出的數(shù)據(jù)就不真實(shí)了。航道全部水深測(cè)量完后保存數(shù)據(jù)，用中海達(dá)數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行后處理。

測(cè)深儀關(guān)閉后，把測(cè)深儀收起裝箱，此時(shí)重要的是用GPS在淺水區(qū)補(bǔ)點(diǎn)，岸邊低于0.8m的水深，測(cè)量船就進(jìn)不去了，這時(shí)應(yīng)乘坐小木船用GPS在淺水區(qū)補(bǔ)點(diǎn)，補(bǔ)點(diǎn)密度和斷面密度相適應(yīng)。

2.6 成圖

本次成圖采用2007CAD、南方Cass軟件成圖，首先是打開(kāi)軟件把測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行展點(diǎn)，展點(diǎn)后應(yīng)檢查水深數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)誤，因?yàn)镚PS的信號(hào)問(wèn)題，測(cè)深儀測(cè)量的數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤點(diǎn)、假點(diǎn)等，此時(shí)應(yīng)該在平面圖上仔細(xì)檢查，將錯(cuò)誤的點(diǎn)刪除，也可以通過(guò)CASS中的繪圖處理高程點(diǎn)過(guò)濾功能過(guò)濾掉錯(cuò)誤點(diǎn)。展點(diǎn)檢查后就可以畫(huà)斷面圖了，成圖有兩種方法，一種是單個(gè)斷面繪制法，一種是自動(dòng)生成斷面法。單個(gè)斷面繪制法適用于零星檢測(cè)，自動(dòng)生成斷面法適用于大范圍出圖。本次測(cè)量采用的是自動(dòng)生成斷面法。

3 結(jié)束語(yǔ)

GPS-RTK技術(shù)與測(cè)深儀結(jié)合的測(cè)量方法已經(jīng)在內(nèi)河航道水下地形測(cè)量中得到了充分的應(yīng)用，由于其諸多的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的應(yīng)用為內(nèi)河航道整治提供了極大的便利。

參考文獻(xiàn)

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