秦昌杰，謝敏真

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 上海市沙田學(xué)校，上海 200062）

CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量技術(shù)在上海潮灘測(cè)量中的應(yīng)用

秦昌杰1，謝敏真2

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 上海市沙田學(xué)校，上海 200062）

隨著海洋事業(yè)的不斷發(fā)展，水下地形測(cè)量工作也越來越顯出其重要性。介紹了CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量的原理和方法，該方法改進(jìn)了水下地形測(cè)量的工序，減少了測(cè)量人員和設(shè)備，提高了工作效率，能夠?qū)崿F(xiàn)快速高精度的水下地形測(cè)量。結(jié)合其在上海潮灘測(cè)量中的應(yīng)用，通過分析內(nèi)符合和外符合精度情況，充分顯示了該方法的優(yōu)越性，在近海的水下地形測(cè)量中具有很好的應(yīng)用前景。

CORS RTK；無驗(yàn)潮；水下地形測(cè)量；潮灘

隨著海洋事業(yè)的不斷發(fā)展，水下地形測(cè)量工作也越來越顯出其重要性，目前水下地形測(cè)量的作業(yè)方式有常規(guī)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量和無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量?jī)煞N方式。常規(guī)驗(yàn)潮方式需要架設(shè)潮位站進(jìn)行人工驗(yàn)潮，以便在測(cè)量的水深值中加入潮位改正，從而計(jì)算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程值。無驗(yàn)潮方式就是在測(cè)量船上直接測(cè)出測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)水面三維坐標(biāo)，減去該時(shí)刻測(cè)點(diǎn)的水深值，從而得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程值，不需要岸上人員觀測(cè)潮位。無驗(yàn)潮方式在水下地形測(cè)量中有著獨(dú)特的優(yōu)越性，特別是在海洋的大面積水域測(cè)量中，由于潮位存在坡降比，常規(guī)驗(yàn)潮方式需要在測(cè)區(qū)內(nèi)按距離分塊布設(shè)潮位觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)要配相應(yīng)的工作人員和設(shè)備進(jìn)行潮位觀測(cè)，這樣既不容易求出準(zhǔn)確的潮位數(shù)據(jù)，且工作效率也不高。而無驗(yàn)潮方式改進(jìn)了水下地形測(cè)量的工序，減少了測(cè)量人員和設(shè)備，提高了工作效率[1~3]。此外隨著GPS定位技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，基于連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù) (Continuously Operating Reference Stations Real Time Kinematic, CORS RTK)測(cè)量精度的提高也為這種方式提供了技術(shù)上的保證[4~6]。

CORS RTK通常是由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、數(shù)據(jù)通信鏈路及用戶等部分組成的網(wǎng)絡(luò)RTK，它跟常規(guī)RTK一樣是一種利用GPS載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的技術(shù)。在CORS網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)，用戶只需要一臺(tái)帶有數(shù)字移動(dòng)通信數(shù)據(jù)鏈功能的GPS接收機(jī)，通過無線網(wǎng)絡(luò)方式將自身的實(shí)時(shí)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)中心，并接收數(shù)據(jù)服務(wù)中心發(fā)送來的差分信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，就能夠快速的獲得厘米級(jí)精度的定位結(jié)果[4~6]。CORS RTK技術(shù)在陸地測(cè)量和放樣中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，在海洋測(cè)量和海洋工程中的應(yīng)用也越來越廣泛[2]。

1 CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量的原理和方法

CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量系統(tǒng)由GPS接收機(jī)、數(shù)字化測(cè)深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件組成。作業(yè)原理和方法是用戶將GPS接收機(jī)天線捆綁在測(cè)深儀換能器的正上方，將GPS接入CORS網(wǎng)絡(luò)，利用CORS RTK技術(shù)進(jìn)行平面和高程觀測(cè)，得到GPS接收機(jī)天線的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，測(cè)深儀同步采集該點(diǎn)位的水深數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理得到水下地形點(diǎn)的高程值。假定相對(duì)于某高程基準(zhǔn)面，GPS接收機(jī)的天線高程可由CORS RTK測(cè)出記為H1，測(cè)深儀換能器的瞬時(shí)高程記為H2，H為測(cè)深儀測(cè)出的水深值，水底點(diǎn)O的高程記為H0，GPS接收機(jī)天線和測(cè)深儀換能器之間的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The structure principle diagram

從圖1中可以得出：

根據(jù)式1可以求出水底點(diǎn)O的高程H0，而該測(cè)點(diǎn)的平面位置由CORS RTK實(shí)時(shí)測(cè)出，水下地形測(cè)量的目的已經(jīng)達(dá)到了。上述測(cè)量方法摒棄了常規(guī)驗(yàn)潮方式對(duì)潮位觀測(cè)的嚴(yán)格要求，集潮位測(cè)量和水深測(cè)量于一身，直接獲得了水下地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)，操作和實(shí)施比較方便、快捷[1,2,7,8]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

上海潮灘水下地形測(cè)量項(xiàng)目，主要為上海市一線海堤至-5m線的水深測(cè)量區(qū)域。測(cè)量范圍為浦東機(jī)場(chǎng)至金山的沿海潮灘，測(cè)線間距1.2km，采樣間隔為5m，測(cè)線里程120km。測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)：WGS-84坐標(biāo)系；高程基準(zhǔn)：吳淞高程基準(zhǔn)。測(cè)區(qū)內(nèi)上海市一線海堤有我院近年來布設(shè)的多個(gè)上海市地面沉降監(jiān)測(cè)GPS點(diǎn)和每隔1.2km布設(shè)的一線海堤沉降監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)，作為該項(xiàng)目的平面和高程控制點(diǎn)。每年我院均會(huì)按照《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314-2009)中的B級(jí)網(wǎng)要求對(duì)GPS點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，按照《國家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 12897-2006)中的二等水準(zhǔn)測(cè)量要求將一線海堤沉降監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)與上海市一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

2.2 測(cè)量方法

潮灘測(cè)量采用CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量方式。GPS接收機(jī)選用美國天寶公司的R8雙頻接收機(jī)，測(cè)深儀選用Hydrotrac單頻回聲測(cè)深儀，測(cè)量軟件采用專用水道測(cè)量軟件HYPACK MAX。通過接入上海CORS系統(tǒng)同步采集測(cè)點(diǎn)WGS-84平面坐標(biāo)、GPS天線大地高和水深值，GPS天線大地高通過上海市測(cè)繪院的上海似大地水準(zhǔn)面模型轉(zhuǎn)換成吳淞高程，計(jì)算得到水下地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2.3 測(cè)量實(shí)施

（1）儀器校準(zhǔn)和比對(duì)

儀器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是測(cè)量的基礎(chǔ)，水深測(cè)量工作之前,必須對(duì)使用的GPS接收機(jī)及測(cè)深儀進(jìn)行檢校，對(duì)定位精度及測(cè)深精度進(jìn)行嚴(yán)格的比對(duì)和校準(zhǔn)。

GPS接收機(jī)比對(duì)方法：項(xiàng)目實(shí)施前將GPS接收機(jī)放置在GPS控制點(diǎn)上，連續(xù)開機(jī)記錄時(shí)間不少于24h，采樣間隔為1s，繪制觀測(cè)記錄散點(diǎn)圖，統(tǒng)計(jì)內(nèi)符合和外符合測(cè)量精度及其分段分布情況。

測(cè)深儀比對(duì)方法：項(xiàng)目實(shí)施前選擇在水深大于5m的海底平坦處，連續(xù)開機(jī)時(shí)間不得少于4h，采樣間隔5min，水深比對(duì)限差應(yīng)在0.3m之內(nèi)。

無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量的重點(diǎn)和難點(diǎn)是高程測(cè)量的精度，因此在每天作業(yè)之前，必須進(jìn)行高程控制點(diǎn)的比對(duì)測(cè)量。GPS接收機(jī)接入上海CORS系統(tǒng)初始化有固定解后，將其放在測(cè)區(qū)附近的高程控制點(diǎn)上進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)限差應(yīng)在0.05m之內(nèi)。每次測(cè)量前、后在測(cè)區(qū)內(nèi)利用校正板對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，比對(duì)限差應(yīng)在0.05m之內(nèi)。所有儀器設(shè)備校準(zhǔn)比對(duì)結(jié)果符合要求后，方可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

（2）數(shù)據(jù)采集

作業(yè)前先將測(cè)量系統(tǒng)各部件按要求連接，GPS接收機(jī)天線和測(cè)深儀換能器捆綁在同一垂桿上，用鋼卷尺準(zhǔn)確測(cè)量好GPS接收機(jī)天線至測(cè)深儀換能器的長(zhǎng)度。打開電源，將GPS接收機(jī)、測(cè)深儀和測(cè)量軟件各個(gè)通訊通道調(diào)試接通，設(shè)置好數(shù)據(jù)采集格式等，同時(shí)校準(zhǔn)電腦、測(cè)深儀和GPS接收機(jī)的時(shí)間，確認(rèn)無誤后根據(jù)HYPACK軟件導(dǎo)航，沿計(jì)劃測(cè)線跑船。因測(cè)區(qū)內(nèi)水深較淺，盡可能利用高潮位時(shí)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集時(shí)實(shí)時(shí)查看CORS RTK差分接收鎖定情況，保證在鎖定狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)，確保定位數(shù)據(jù)的可靠性。同時(shí)注意測(cè)深儀工作是否正常，測(cè)深紙上的回波信號(hào)是否清晰，吃水線是否漂移，保證測(cè)量系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下測(cè)量。無障礙物條件下，斷面測(cè)深航跡線偏移應(yīng)不大于20m，每條測(cè)線盡量在同一天內(nèi)一次性完成，如果測(cè)線不能一次性完成，拼接重合點(diǎn)必須有三個(gè)水深點(diǎn)以上的數(shù)據(jù)，以保證水深數(shù)據(jù)的完整、連續(xù)、可靠。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中遇到障礙物（漁網(wǎng)、碼頭等）影響測(cè)量時(shí)，要及時(shí)打標(biāo)注記，標(biāo)注清楚障礙物的點(diǎn)號(hào)、名稱、位置等。同時(shí)每條測(cè)線都需作好海上作業(yè)日志（相關(guān)氣候與潮汐等）、水下地形測(cè)量班報(bào)表等記錄。

（3）內(nèi)業(yè)處理

測(cè)量結(jié)束后，將采集完整的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)按設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行整理，然后采用HYPACK MAX水道測(cè)量軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)后處理，經(jīng)改正及剔除假水深后，輸出實(shí)際需要的成果。

2.4 精度分析

《海洋調(diào)查規(guī)范 第10部分：海底地形地貌調(diào)查》(GB/ T 12763.10-2007)，規(guī)定對(duì)主檢測(cè)線重合點(diǎn)水深不符值進(jìn)行系統(tǒng)誤差及粗差檢驗(yàn)，剔除系統(tǒng)誤差和粗差后，其主檢水深不符值限差為：水深小于30m時(shí)為0.6m；水深大于30m時(shí)為水深的2%；超限的點(diǎn)數(shù)不得超過參加比對(duì)總點(diǎn)數(shù)的10%。利用檢查線與主測(cè)線水深不符值，進(jìn)行水深測(cè)量準(zhǔn)確度估計(jì)，其估計(jì)指標(biāo)的計(jì)算公式為式2，在水深小于30m時(shí)水深測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于0.3m；在水深大于30m時(shí)，水深測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于水深值的1%[9]。

式中：

M–重合點(diǎn)水深不符值中誤差，單位為m；

di–主測(cè)線與檢查線在重合點(diǎn)i處的深度不符值，單位為m；

n–主測(cè)線與檢查線的重合點(diǎn)數(shù)。

（1）內(nèi)符合精度

為了保證測(cè)量成果的質(zhì)量，在垂直于主測(cè)線的方向上我們布置了30km的檢查線，檢查線與主測(cè)線相交處比對(duì)點(diǎn) 193點(diǎn)，所有點(diǎn)的水深值均在30m以內(nèi)，交叉比對(duì)點(diǎn)水深不符值均小于0.6m。交叉比對(duì)點(diǎn)不符值分布情況見表1。根據(jù)這些交叉比對(duì)點(diǎn)不符值按式2計(jì)算水深測(cè)量準(zhǔn)確度為M=±0.08m。

表1 主檢測(cè)線交叉比對(duì)點(diǎn)不符值分布情況Table 1 The distribution of the inconsistent values of the main detection lines’ point

（2）外符合精度

為了驗(yàn)證CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量的可靠性和精度情況，在低潮位露灘時(shí)安排測(cè)量人員進(jìn)行部分人工野外跑灘檢測(cè)。由于CORS RTK技術(shù)在陸地測(cè)量和放樣中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，所以檢測(cè)方法采用CORS RTK結(jié)合全站儀的野外數(shù)字測(cè)圖方式，檢測(cè)點(diǎn)采樣間隔5m，共檢測(cè)測(cè)點(diǎn)652點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)不符值分布情況見表2。根據(jù)這些檢測(cè)點(diǎn)不符值按式2計(jì)算水深測(cè)量準(zhǔn)確度M=±0.13m。

表2 檢測(cè)點(diǎn)不符值分布情況Table 2 The distribution of inconsistent values of detection point

通過內(nèi)符合和外符合的精度統(tǒng)計(jì)比對(duì)分析，利用CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量技術(shù)在上海潮灘測(cè)量項(xiàng)目中測(cè)得的數(shù)據(jù)是可靠的，滿足該項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要和《海洋調(diào)查規(guī)范 第10部分：海底地形地貌調(diào)查》(GB/T 12763.10-2007)規(guī)定的質(zhì)量精度要求。

3 結(jié)論

相對(duì)常規(guī)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量，利用CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量技術(shù)進(jìn)行上海潮灘水下地形點(diǎn)的采集具有很大的優(yōu)越性，具有省時(shí)、省力、方便、快捷和簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速高精度的水下地形測(cè)量，在近海的水下地形測(cè)量中具有很好的應(yīng)用前景。

（1）CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量技術(shù)方便、快捷，無需專門架設(shè)潮位站，大大節(jié)省了人力和物力的投入，在近海潮灘潮位架設(shè)比較困難、海況比較差、驗(yàn)潮條件不具備的區(qū)域真正實(shí)現(xiàn)了無驗(yàn)潮的水下地形測(cè)量，大大提高了測(cè)量的工作效率。

（2）CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量技術(shù)由于GPS接收天線和測(cè)深儀換能器是捆綁在同一垂桿上，兩者之間的距離固定，因而船體的動(dòng)態(tài)吃水不用專門去測(cè)定，測(cè)深儀換能器的瞬時(shí)高程已經(jīng)包含了該信息，因此該方法可以減少風(fēng)浪對(duì)測(cè)深儀換能器吃水上下漂移的影響，進(jìn)一步提高測(cè)量成果的精度。

（3）CORS RTK無驗(yàn)潮水下地形測(cè)量技術(shù)能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，獲得厘米級(jí)的水平定位精度，比常規(guī)采用RBN/ DGPS信標(biāo)技術(shù)獲得米級(jí)導(dǎo)航定位精度大大提高,特別適用于沿岸重要海區(qū)的精密測(cè)量。

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Application of CORS RTK underwater topographic survey technology without tidal observation in tidal flat survey in Shanghai

QIN Chang-Jie1, XIE Min-Zhen2
(1. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China; 2. Shanghai Shatian School, Shanghai 200062, China)

With the rapid development of ocean, the underwater topograpic survey work has become increasingly important, this paper introduces the CORS RTK underwater topographic survey technology without tidal observation’s principle and method, this method improves the measurement process, reduce the number of personnel and equipment, improve work efficiency, to achieve high accuracy and fast underwater topographic survey. Combined with its application in the measurement of tidal flat in Shanghai, the advantages of the method are demonstrated through the analysis of the internal and external coincidence accuracy. It has a good application prospect in the underwater topographic survey of offshore.

CORS RTK; without tidal observation; underwater topographic survey; tidal flat

P204

A

2095-1329(2017)01-0096-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.01.022

2017-02-16

修回日期: 2017-03-23

秦昌杰(1984-),男,工程師,主要從事地面沉降監(jiān)測(cè)與近岸海域地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究.

電子郵箱: shigs_84@126.com

聯(lián)系電話: 021-56618278