高玉旺（電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南　長(zhǎng)沙　410000）

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GPS結(jié)合測(cè)深儀水下地形測(cè)量原理與應(yīng)用

高玉旺（電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410000）

我國(guó)的GPS在各個(gè)領(lǐng)域中都得到了有效應(yīng)用，通過(guò)綜合利用測(cè)深儀，能夠有效提高應(yīng)用水平，加強(qiáng)水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)精確性，并降低成本。對(duì)GPS技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)GPS配合數(shù)字測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

GPS；測(cè)探儀；水下地形；測(cè)量原理

1　引言

水下地形測(cè)量是測(cè)量水下起伏形態(tài)和地物的工作。水下地形繪測(cè)主要在于水利工程中得以深度應(yīng)用，具有重要意義。GPS技術(shù)的開(kāi)發(fā)時(shí)間雖然不久，但其在各領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。在水下地形圖繪測(cè)工程中，GPS技術(shù)的應(yīng)用能夠大大提高工程的精確度，且更加簡(jiǎn)便操作，幾乎能夠全天候工作，不受限制。

2　GPS與測(cè)探儀的工作原理概述

2.1GPS基本工作原理

運(yùn)用GPS全球定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位的原理在于通過(guò)空間距離的測(cè)量，來(lái)確定其他位置結(jié)果，這也是我們所常說(shuō)的定位方法，快速而準(zhǔn)確。如在動(dòng)態(tài)測(cè)量、快速靜態(tài)和靜態(tài)測(cè)量中，通過(guò)GPS全球定位系統(tǒng)進(jìn)行定位后，再需要通過(guò)復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算來(lái)求得結(jié)果。這種技術(shù)在野外實(shí)時(shí)測(cè)繪中有一定的限制性因素，在野外要獲得厘米級(jí)的定位結(jié)果需要使用到RTK定位測(cè)量技術(shù)。RTK是以載波相位觀測(cè)為原理的定位技術(shù)，通過(guò)RTK定位技術(shù)，流動(dòng)站和基準(zhǔn)站要同時(shí)保持4顆以上的衛(wèi)星跟蹤，然后將其已知信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)量一并傳給流動(dòng)站，GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)與通過(guò)鏈接的數(shù)據(jù)組成差分方程，進(jìn)行及時(shí)信息處理。運(yùn)動(dòng)中求解不需要整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，取模糊的起始位置值即可，與此同時(shí)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)也被輸入，因而獲得觀測(cè)點(diǎn)的精度和三位坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.2測(cè)深儀工作原理概述

測(cè)深儀測(cè)量的主要原理是借助超聲波及其反射得以實(shí)現(xiàn)的，超聲波可以穿透介質(zhì)，還可以在介質(zhì)表面形成反射，測(cè)深儀借助超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去，通過(guò)測(cè)量發(fā)射波及反射波的時(shí)差來(lái)完成測(cè)量。測(cè)深儀工作過(guò)程可用公式Z=Vt/2表示，其中，V代表超聲波的傳播速度，t代表超聲波自發(fā)射后，由探頭到水底，再由水底反射，直到被探頭再次接收所消耗的時(shí)間。借助探頭桿的刻度數(shù)值，可以測(cè)出探頭與水面的距離，將兩者相加，即可得出水深數(shù)值，如圖1所示。

3　GPS與測(cè)深儀的結(jié)合

3.1GPS結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量原理

在測(cè)量的過(guò)程中，用GPS來(lái)加強(qiáng)對(duì)換能器底部的坐標(biāo)以及高程進(jìn)行測(cè)定的時(shí)候，就通過(guò)測(cè)深儀對(duì)定位點(diǎn)的水深來(lái)進(jìn)行測(cè)定，這樣最終得出的水下定位點(diǎn)的高程就可以采用GPS測(cè)量的高程以及測(cè)深儀測(cè)量水深之間的差，同時(shí)定位點(diǎn)坐標(biāo)也就是換能器坐標(biāo)。GPS可以在RTK作業(yè)模式下實(shí)時(shí)獲得測(cè)點(diǎn)位坐標(biāo)高程的測(cè)量（見(jiàn)圖 2），對(duì)于定位的精度幾乎可精確到厘米。

圖1　超聲波回聲測(cè)深示意圖

圖2　GPS結(jié)合測(cè)深儀的水下地形測(cè)量公式模型

在進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，主要得到的數(shù)據(jù)是通過(guò)對(duì)工控電腦上顯示的數(shù)據(jù)來(lái)更好的對(duì)數(shù)據(jù)的采集情況進(jìn)行測(cè)定，與此同時(shí)，可以根據(jù)相應(yīng)的軟件來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航，這樣就能更好的保障測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)深軟件就能夠更好的顯示測(cè)量船體以及路線的航向，從而更便于隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3.2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。

4　GPS聯(lián)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

4.1測(cè)量之前的準(zhǔn)備工作

（1）設(shè)置好基準(zhǔn)站

在設(shè)置基準(zhǔn)站的過(guò)程中，盡量選取地勢(shì)較高且視野范圍交寬闊的區(qū)域當(dāng)成作業(yè)點(diǎn)，并且所選的作業(yè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)盡可能地遠(yuǎn)離高壓電線或者變電站等無(wú)線設(shè)施，防止測(cè)量設(shè)備受到干擾。為了確保所要測(cè)量深度地點(diǎn)的水平位置與垂直位置能夠同步，在安置GPS接收天線之時(shí)，應(yīng)當(dāng)把接收天線安裝在測(cè)深儀換能器的上方區(qū)域，而天線的安裝高度應(yīng)當(dāng)高出作業(yè)船體，并且要隔絕金屬的干擾。此外，在定位過(guò)程中所用到的衛(wèi)星，其高度角應(yīng)當(dāng)不低于10°，利用進(jìn)行觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)量要在4顆之上，其質(zhì)量指標(biāo)不能夠超過(guò)6，HDOP值不能夠超過(guò)1.8。

（2）校正好各控制進(jìn)行點(diǎn)

進(jìn)行對(duì)水下地形測(cè)量前，還需要對(duì)測(cè)量區(qū)域所選的控制點(diǎn)進(jìn)行校正，其中已知登記控制點(diǎn)的數(shù)量不能夠低于4個(gè)，對(duì)其進(jìn)行校正之后，求出WGS-84坐標(biāo)系到所測(cè)地點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（3）安裝好測(cè)深儀換能器

由于測(cè)深儀往往會(huì)安裝在船只上，而為了盡可能的防止因?yàn)樽鳂I(yè)船只速度對(duì)船只吃水線的影響，通常會(huì)把測(cè)深儀的換能器安置在作業(yè)船只的中舷區(qū)域。同時(shí)，為了確保作業(yè)船只在運(yùn)行的過(guò)程中，防止測(cè)深儀的換能器出現(xiàn)擱淺現(xiàn)象，或者是確保其能夠在連接桿長(zhǎng)度的允許范圍之內(nèi)，測(cè)量人員需要盡可能的把換能器安放在水下比船底稍高的位置，使其吃水的深度保持在0.5～1.5m的范圍之內(nèi)。

4.2測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息采集

在對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)量之時(shí)，測(cè)量人員需要使用GPS接收機(jī)、導(dǎo)航軟件以及測(cè)深儀等相關(guān)儀器設(shè)備，對(duì)所測(cè)水下地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集。在采集的過(guò)程中需要完成以下幾項(xiàng)工作：

（1）在對(duì)水下地形數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集之前，測(cè)量人員需要對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，做好吃水深度的校正以及水深的對(duì)比工作。這就要求，相關(guān)的測(cè)量人員首要的工作就是要對(duì)將要測(cè)量水域的水溫進(jìn)行測(cè)量，并使用測(cè)深儀對(duì)船只所處水域的靜態(tài)吃水深度進(jìn)行確認(rèn)和校正，進(jìn)而調(diào)整好聲速，然后在測(cè)量開(kāi)始前以及開(kāi)始之后，選取不同水深對(duì)測(cè)深儀所測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

（2）為了確保導(dǎo)航船只能夠接收到實(shí)時(shí)定位的數(shù)據(jù)信息，在利用GPS與測(cè)深儀相結(jié)合技術(shù)對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)量之時(shí)，需要調(diào)整測(cè)量船只上流動(dòng)站GPS接收器的數(shù)據(jù)輸出格式，使其能夠設(shè)置為NMEA-0183，也就是在進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出之時(shí)，需要使用ASCII碼，其中包括所測(cè)定位點(diǎn)的經(jīng)緯度、高度、船只速度、時(shí)間日期、運(yùn)行方向以及所使用探測(cè)衛(wèi)星等信息數(shù)據(jù)。

（3）測(cè)量人員需要使用測(cè)量軟件設(shè)定好測(cè)深儀換能器的吃水深度、GPS接收天線的中心與水面之間的距離、聲速以及換能器發(fā)射的脈寬等相關(guān)參數(shù)，提高測(cè)量所得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

（4）測(cè)量人員需要在所用導(dǎo)航軟件當(dāng)中設(shè)置好正確WGS-84坐標(biāo)與測(cè)量水域所在地坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（5）以上工作準(zhǔn)備完成之后，測(cè)量人員就可以開(kāi)啟所使用的設(shè)備以及軟件，然后對(duì)通信以及測(cè)深數(shù)據(jù)之間的比對(duì)進(jìn)行仔細(xì)的檢查，當(dāng)檢查合格之后，測(cè)量人員就可以按照既定計(jì)劃對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行測(cè)量工作，并做好實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)收集工作。在數(shù)據(jù)信息的收集過(guò)程當(dāng)中，為了提高所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測(cè)量人員需要調(diào)出測(cè)量斷面線，并把船只指引到斷面的位置，按照制定的測(cè)點(diǎn)間距對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位，并對(duì)其的深度進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)導(dǎo)航軟件所顯示的數(shù)據(jù)，對(duì)航向進(jìn)行修正，使得測(cè)量船只能夠順著斷面線方向航行。

4.3內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成果生成

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)后處理軟件對(duì)基準(zhǔn)站及流動(dòng)站基線加以解算，將GPS基線向量確定為觀測(cè)值，將方差陣之逆作確定為權(quán)，采用三維無(wú)約束平差方式，精確計(jì)算得出觀測(cè)點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)，然后借助已知測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得出各觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際方位坐標(biāo)。同時(shí)，利用CASS等軟件，對(duì)于水下地形圖進(jìn)行展繪，得到最終水下地形圖。

5　結(jié)束語(yǔ)

可見(jiàn)，在進(jìn)行水下地形測(cè)量的過(guò)程中，應(yīng)用GPS技術(shù)的同時(shí)，還可以結(jié)合測(cè)深儀，進(jìn)一步更加測(cè)量快速與作業(yè)效率高，同時(shí)保證測(cè)量的精確度。當(dāng)下，水下測(cè)量在許多的水庫(kù)、河流或航道中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于許多地區(qū)對(duì)水下測(cè)量的要求標(biāo)準(zhǔn)不相同，因此，其中還是存在很多的問(wèn)題亟待解決。

［1］牟云勇.淺析水下地形測(cè)量中存在的問(wèn)題［J］.黑龍江科學(xué)，2014，5 （2）：99.

［2］史富貴.水下地形測(cè)量成果質(zhì)量檢驗(yàn)若干問(wèn)題探討［J］.測(cè)繪科學(xué)，2015，40（7）：109～112.

［3］李 昱，閻成赟.基于JSCORS的無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量研究［J］.海洋測(cè)繪，2014，34（3）：48～51.

高玉旺（1970-），男，測(cè)量高級(jí)工程師。

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2095-2066（2016）12-0048-02

2016-4-12