顧飛艇，余永清

(1.浙江省河海測繪院，浙江　杭州　310008;2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江　杭州　310020)

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GPS技術(shù)在海洋測繪中的應(yīng)用探討

顧飛艇1，余永清2

(1.浙江省河海測繪院，浙江杭州310008;2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江杭州310020)

隨著科技的進(jìn)步與社會的快速發(fā)展，海洋測繪技術(shù)日漸完善，GPS測繪技術(shù)的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)上僅停留于陸地海平面以上空間測量的限制，成為海洋測繪的重要手段。結(jié)合浙江省海洋測繪水下地形測量和深水岸線調(diào)查項目的具體情況，探討GPS測繪技術(shù)在海洋測繪中的應(yīng)用。

工程測繪技術(shù)；GPS技術(shù)；定位；海洋測繪

1　問題的提出

海洋測繪的對象是海洋。由于海洋測量具有測量的實時性、海底的不可視性、基準(zhǔn)的變化性等特點，所以對海洋測量采用的測量方法不僅繁雜，而且受條件限制。獲取海洋地形地貌數(shù)據(jù)，需要同時進(jìn)行多種觀測項目，多種儀器設(shè)備配合實施，而且得到的數(shù)據(jù)精度不高，偏差較大。

隨著科技的進(jìn)步與社會的發(fā)展，大量高技術(shù)含量的測量技術(shù)與方法已經(jīng)出現(xiàn)，并相繼在海洋測繪工作實踐中得到應(yīng)用。例如，單波束和多波束測深技術(shù)的投入使用更好地解決了海洋測深的問題；衛(wèi)星測高技術(shù)可探測海洋大地水準(zhǔn)面、海洋水文等信息數(shù)據(jù)；而GPS測繪技術(shù)大大提高了海洋測繪定位的精度,其精度高、實效強的優(yōu)勢使海洋測繪朝著精準(zhǔn)、高效、節(jié)能、科學(xué)及信息化的方向發(fā)展。

2　海洋測繪及GPS的概念

海洋測繪是海洋測量和海圖編制的總稱[1]，是采用先進(jìn)的科學(xué)測繪技術(shù)及方法，對海洋要素進(jìn)行全面而精細(xì)的調(diào)查，并結(jié)合海洋信息的綜合治理及有效利用，以不同的縮放比例，描繪及編制能實際反映海洋信息及特征的海圖，是一門理論性極強、實踐性極高的測繪學(xué)科。海洋測繪包括海岸地形測量、海洋工程測量、水深測量、水文測量及深度基準(zhǔn)測量等，所編制的海圖主要為航海圖、海洋專題圖、海底地形地貌圖等。

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，通常簡稱GPS)[2]是由美國研制發(fā)明的一種對海、陸、空實施實時定位及導(dǎo)航的三維空間控制技術(shù)，依據(jù)衛(wèi)星對信息接收終端進(jìn)行實時定位監(jiān)控，具有快速、精準(zhǔn)、高效、自動化及全天候的使用特點。

3　GPS測繪技術(shù)的應(yīng)用

3.1GPS海洋控制網(wǎng)

海洋大地控制網(wǎng)是由海面控制點、地面控制點及海底控制點組成，主要以海底控制點為主。海底控制點的測定可通過海面固定標(biāo)志、GPS信號接收器及水聲應(yīng)答定位器相互間的信息傳輸來實現(xiàn)海底控制點與衛(wèi)星同步觀測，進(jìn)而確定控制點的具體位置。其工作原理是利用GPS信號接收器與衛(wèi)星同步觀測、定位，水聲應(yīng)答器同步測定GPS信號接收器與控制點距離。海洋大地控制點的建立是海洋大地測量的基本工作，目的是為了更好地服務(wù)于觀測海面變化、建設(shè)海洋工程、測繪海底地形地貌及船只艦隊航線導(dǎo)航等。浙江省海洋測繪水下地形測量和深水岸線調(diào)查項目的測量范圍主要為舟山群島新區(qū)北部水域，屬于近海區(qū)域,GPS海洋控制網(wǎng)主要利用各島嶼已有的控制點進(jìn)行控制。該項目利用已有的東劍、白虎山、朱家尖等浙江省GPS框架網(wǎng)和馬岙、衢山、大洋山等浙江省GPS基礎(chǔ)網(wǎng)為平面基礎(chǔ)控制網(wǎng)的起算點，采用GPS測量技術(shù)逐級布置“星形”平面控制網(wǎng)。

3.2GPS的定位技術(shù)

海洋測繪水深數(shù)據(jù)采集的3大要素是定位、測深和水位觀測。浙江省海洋測繪水下地形測量和深水岸線調(diào)查項目在作業(yè)過程中采用DGPS或網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行實時定位。為求定位精準(zhǔn)，我國沿海地區(qū)建立了22座RBN—DGPS基準(zhǔn)站[3]覆蓋了離岸300 km的水域。目前，DGPS定位技術(shù)的精度可達(dá)到亞米級，能滿足海洋測繪中對沿岸海道的導(dǎo)航及定位需求。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)主要采用浙江省衛(wèi)星定位連續(xù)運行綜合服務(wù)系統(tǒng)(簡稱ZJCORS)，包括省級連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)和市級連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)2部分。精度上，系統(tǒng)可提供從毫米級、厘米級到亞米級等多種不同精度的定位與導(dǎo)航服務(wù)，形式上，系統(tǒng)既可提供網(wǎng)絡(luò)RTK、RTD的實時動態(tài)定位服務(wù)，也可提供高精度靜態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)。

同樣，基于ZJCORS 的網(wǎng)絡(luò)RTK只適用于近海岸水域測量。隨著GPS測量技術(shù)的不斷完善，GPS—PPK技術(shù)在我國逐步推廣。相對于網(wǎng)絡(luò)RTK，PPK技術(shù)克服了數(shù)據(jù)傳送的局限，作用距離更長，在無數(shù)據(jù)連接的情況下，依然能夠很好地發(fā)揮測繪功能，提高測繪精度。因此在較為重要的海洋測繪工作中，應(yīng)綜合考慮測繪方案的合理性、可行性及數(shù)據(jù)精確性，仔細(xì)分析三者優(yōu)勢，將其有機結(jié)合，在確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下，適當(dāng)選用不同的GPS測量模式進(jìn)行定位。

3.3GPS的測高技術(shù)

地形圖是指按一定的表示方法表示地物地貌平面位置和高程的正形投影圖[4]。利用GPS技術(shù)測設(shè)平面位置，利用測深和水位資料獲得測點高程。目前定位和測深技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但受海洋環(huán)境的影響，水位資料的獲取和利用已成為海洋測量中的主要誤差。采用DGPS進(jìn)行海洋測繪水下地形測量項目時，通常采用DGPS定位技術(shù)，再利用水位站觀測，并通過水位模型推得理論最低潮面值進(jìn)行高程控制。當(dāng)測區(qū)遠(yuǎn)離陸域海岸，傳統(tǒng)的驗潮方式是在離測區(qū)最近的離岸點設(shè)置潮位站，即使不考慮長距離的潮位差值，兩地的海洋水文波浪差值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了測量精度的要求。雖然可通過長期站、短期站和臨時站確定潮汐參數(shù)，但是所得參數(shù)的精度低、成本高。通過引進(jìn)GPS—RTK和GPS—PPK“無驗潮”技術(shù)，可大大減小水位誤差。

GPS—RTK或GPS—PPK“無驗潮”模式技術(shù)測定海底高程，是用經(jīng)處理和歸位計算后的瞬時高程代替了水位和吃水合成的高程，從而較好地消除了海洋水文波浪、海洋水位高差、海洋潮汐、測船搖擺等引起的測量誤差，提高了測量精度，這是驗潮模式不可比擬的優(yōu)勢?！盁o驗潮”模式進(jìn)行海洋測繪時，無驗潮原理和儀器設(shè)備安裝示意見圖1。WGS—84坐標(biāo)系下海底高程的計算見式(1)：

H=H3-H2-H1

(1)

式中：H為WGS—84坐標(biāo)系下的海底高程，m；H1為測深儀瞬時測量深度，m；H2為GPS衛(wèi)星接收天線至測深儀換能器的高度，m；H3為GPS衛(wèi)星接收天線高程(即大地高)，m。

圖1　無驗潮原理和儀器設(shè)備安裝示意圖

4　存在的問題及解決措施

4.1位置偏差的修正

采用DGPS或網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)都可以滿足項目定位精度要求，在進(jìn)行浙江省海洋測繪水下地形測量和深水岸線調(diào)查項目時， 定位中心應(yīng)與測深中心保持一致，要求GPS天線與測深儀振蕩器在同一垂線上(見圖1)，當(dāng)定位中心與測深中心的偏差超過規(guī)定的定位精度要求，應(yīng)將定位中心歸算到測深中心，實現(xiàn)定位和測深的一致性。

4.2延時改正

測深作業(yè)時，將測深儀輸出接口、GPS定位輸出接口同時與計算機連接，實現(xiàn)定位、測深同步。同時在數(shù)據(jù)采集中，GPS定位與測深設(shè)備容易不同步，使測得的數(shù)據(jù)發(fā)生偏差，導(dǎo)致地形地貌的形狀產(chǎn)生失真。當(dāng)測船前進(jìn)時，GPS系統(tǒng)和測深系統(tǒng)將使每個水深數(shù)據(jù)向后漂移，則可以使用公式“定位測深系統(tǒng)的延時=延時產(chǎn)生的位移/測船速度”進(jìn)行定位和測深的改正。

4.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差

由于GPS技術(shù)獲取的坐標(biāo)為WGS—84坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換成地方坐標(biāo)則需要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模型，常用的有三參數(shù)模型和七參數(shù)模型。采用DGPS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，主要涉及到平面位置的轉(zhuǎn)換；而采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，關(guān)注平面和高程的精度，通常采用三維空間轉(zhuǎn)換模式即七參數(shù)模型轉(zhuǎn)換。數(shù)學(xué)角度上，三維空間轉(zhuǎn)換模式是嚴(yán)密的，但是由于觀測時間和觀測條件等的限制，大地高的測量精度存在一定的局限性，導(dǎo)致該方法的轉(zhuǎn)換精度有一定限制。在浙江省海洋測繪水下地形測量

和深水岸線調(diào)查項目中，目前ZJCORS 提供的網(wǎng)絡(luò)RTK 服務(wù)還不能直接獲取測點的1985 國家高程基準(zhǔn)，需要在測區(qū)建立七參數(shù)模型或高程異常擬合模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中對高程殘差進(jìn)行GPS擬合，以求得更高精度的正常高。

5　結(jié)　語

綜合上述，隨著GPS技術(shù)的深入發(fā)展，它在海洋大地測量、海上定位、水下地形的精確測量等海洋測繪領(lǐng)域得到了廣泛使用；隨著GPS數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷改進(jìn)，數(shù)據(jù)測量更加精準(zhǔn)，定位更加準(zhǔn)確，操作更加快捷?！伴_天辟地，測繪先行”指的是為設(shè)計提供依據(jù)的是“測量數(shù)據(jù)”成果，GPS技術(shù)在海洋測繪中的實際應(yīng)用，為我國海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了較好的技術(shù)服務(wù)。

[1]趙建虎．現(xiàn)代海洋測繪[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008：7-8.

[2]李征航.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008：17-25.

[3]繆錦根，劉冬全.中國沿海RBN-DGPS系統(tǒng)功能升級構(gòu)想[J].湖北:地理空間信息，2010(4):60-61.

[4]高井祥.測量學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2006：104.

(責(zé)任編輯張書花)

Discussion on Using GPS Technology for Marine Surveying and Mapping

GU Fei-ting1,YU Yong-qing2

(1.Zhejiang Survey Institute of Estuary and Coast,Hangzhou 310008,Zhejiang,China; 2.Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co.,Ltd.,Hangzhou 310020,Zhejiang,China)

With technological advances and rapid social development,marine surveying and mapping technology is gradually improved.The emergence of GPS surveying and mapping technology broke through the traditional limitation of only measuring the land above sea level,and it becomes an important means for ocean mapping.Combined with the specific situation of marine mapping underwater topographic survey and deep-water shoreline survey project in Zhejiang Province,the application of GPS mapping technology in marine surveying and mapping was discussed.

engineering mapping technology;GPS technology;positioning;marine surveying and mapping

2015-08-20

顧飛艇(1981-)，男，工程師,大學(xué)本科，主要從事海洋測繪和項目管理等工作。E-mail:495863614@qq.com

P228.4

A

1008-701X(2016)03-0077-02

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.024