梁昭陽

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系，福州 350007)

利用FZCORS結(jié)合數(shù)字測深儀技術(shù)在城市內(nèi)湖清淤中的應(yīng)用

梁昭陽

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系，福州 350007)

水下地形圖在城市建設(shè)、航道疏浚、湖泊清淤中具有重要作用。闡述了福州市全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的基本原理和構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)RTK模式與數(shù)字測深技術(shù)集成、方格網(wǎng)法土方計算基本原理，并以福州市左海公園湖泊清淤工程為案例，詳細(xì)論述了利用FZCORS技術(shù)與數(shù)字測深儀在城市內(nèi)湖清淤中的應(yīng)用，并得出了一定結(jié)論。

CORS；數(shù)字測深儀；網(wǎng)絡(luò)RTK；土方量；清淤

0 引言

CORS系統(tǒng)是衛(wèi)星定位技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)等高新科技多方位、深度融合的綜合系統(tǒng)。CORS系統(tǒng)不僅可以向各級測繪用戶提供高精度、連續(xù)的時間和空間基準(zhǔn)，還可向用戶實(shí)時提供差分信息，實(shí)現(xiàn)精確定位，與傳統(tǒng)作業(yè)模式相比具有覆蓋范圍廣、成本低、精度和可靠性高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。數(shù)字測深儀能夠獲得水深數(shù)據(jù)，但不具備定位功能，將網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)和數(shù)字測深技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)水深數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)的同步采集，從而獲得水下高程數(shù)據(jù)，為各類河道、湖泊的疏浚工程提供水下地形數(shù)據(jù)。

1 FZCORS系統(tǒng)

福州市全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(FZCORS)于2007年初步建成，是福建省首個城市區(qū)域性CORS系統(tǒng)，F(xiàn)ZCORS系統(tǒng)由在福州轄區(qū)內(nèi)多個GNSS聯(lián)系運(yùn)行參考站組成的參考站網(wǎng)和一個數(shù)據(jù)處理中心構(gòu)成。系統(tǒng)覆蓋了福州市區(qū)，為了能夠給FZCORS系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的用戶提供精確的差分?jǐn)?shù)據(jù)，系統(tǒng)參考站坐標(biāo)聯(lián)測了多個國家高等級GPS控制點(diǎn)，并結(jié)合IGS跟蹤站的精密星歷進(jìn)行嚴(yán)密平差解算。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心通過對數(shù)據(jù)接收處理模型化向用戶播發(fā)差分改正數(shù)據(jù)，用戶接收數(shù)據(jù)后能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)，同時也可以進(jìn)行DGPS作業(yè)。FZCORS主要為各級測繪用戶提供高精度、連續(xù)的空間基準(zhǔn)，滿足福州區(qū)域的城市發(fā)展建設(shè)，同時也為數(shù)字城市建設(shè)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。[3]

2 網(wǎng)絡(luò)RTK與數(shù)字測深儀集成原理

網(wǎng)絡(luò)RTK由基準(zhǔn)站網(wǎng)，數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)通信線路組成，用戶利用通信網(wǎng)絡(luò)接收基準(zhǔn)站發(fā)送的差分信息，實(shí)現(xiàn)快速定位。數(shù)字測深儀的基本原理是利用超聲波穿透介質(zhì)形成的反射現(xiàn)象，通過超聲波的傳播速度和時間來計算聲波傳播距離?；诰W(wǎng)絡(luò)RTK的實(shí)時定位功能和數(shù)字測深儀的水深測量功能，將各自的功能進(jìn)行集成就形成了能夠?qū)崟r輸出三維信息的水下地形測量設(shè)備。

采用網(wǎng)絡(luò)RTK和測深儀聯(lián)合作業(yè)時，需要將測深儀與RTK進(jìn)行連接，然后通過筆記本電腦進(jìn)行設(shè)置和操作，利用數(shù)據(jù)軟件將同步接收到的RTK數(shù)據(jù)和測深數(shù)據(jù)進(jìn)行整合形成三維測量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)組成如圖1所示。在進(jìn)行設(shè)備固定時為確保RTK數(shù)據(jù)與換能器測深數(shù)據(jù)在同一垂線上，需保證RTK測桿和與之相連的換能器垂直安置，并且用繩索固定牢靠確保其在船體運(yùn)行過程中不發(fā)生傾斜。如圖1，若RTK采集的高程數(shù)據(jù)為H1，測深儀采集到的深度數(shù)據(jù)為H2，水下對應(yīng)點(diǎn)位的高程為[5]：

H=H1-H2，

(1)

式中H1為RTK天線高減去RTK天線至換能器的高度，即換能器底部高程。

由于GPS采用的是WGS84系統(tǒng)，為了將其坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用FZCORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)可將采集的坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)中，同時再使用大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)計算高程異常，通過事后或?qū)崟r進(jìn)行高程異常改正，GPS將大地高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為正常高，即可確定水下點(diǎn)位的真正高程。

圖1 水下測量示意圖

3 清淤量的計算

南方城市水系發(fā)達(dá)，城市內(nèi)河湖泊眾多，河道清淤已經(jīng)成為河道治理的常態(tài)化工作。清淤量計算作為土方計算的重要應(yīng)用之一，是各類河道湖泊疏浚清淤工程量的關(guān)鍵指標(biāo)。土方量計算的方法有很多，在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛的主要有方格網(wǎng)法、斷面法兩種，不同的方法適用不同的地形情況，斷面法主要在帶狀地形的土方計算中使用，方格網(wǎng)法主要適用各類塊狀和地形起伏較小的地塊，因此，要根據(jù)實(shí)際情況選擇土方計算方法。

湖泊的面積較大且地形起伏較小，方格網(wǎng)法十分適用城市內(nèi)湖清淤方量計算。方格網(wǎng)法通常將地塊劃分成若干個邊長5～20 m的正方形格網(wǎng)，將設(shè)計標(biāo)高和現(xiàn)狀標(biāo)高標(biāo)注在右上角(如圖2)，計算各角點(diǎn)的清淤高度(填或挖)，根據(jù)各角點(diǎn)的標(biāo)高差計算每個四棱柱的體積，其基本公式為[6]：

圖2 方格網(wǎng)計算示意圖

(2)

式中：V為清淤工程量；a為方格邊長(m)；h1、h2、h3、h4分別為方格網(wǎng)4個角點(diǎn)的清淤高度(m)。當(dāng)在一個格網(wǎng)同時出現(xiàn)填方和挖方時，需要先計算出零線位置，區(qū)分填方和挖方界限。最后將所有方格網(wǎng)內(nèi)的填方和挖方數(shù)進(jìn)行匯總，得到總的清淤量。

4 工程應(yīng)用

按照福州市建設(shè)規(guī)劃，為進(jìn)一步提升城市形象，打造內(nèi)河旅游新亮點(diǎn)，對左海—西湖—白馬河之間的通航能力進(jìn)行提升，實(shí)現(xiàn)西湖—閩江全線通航。左?！骱ê焦こ套鳛槭灼诠こ?，首先需要實(shí)現(xiàn)左海—西湖水體的聯(lián)通，對左海進(jìn)行清淤，最終達(dá)到水位一致。

4.1 水下清淤測量方案

本次左海清淤工程整個水域面積達(dá)到110 000m2以上，通過對收集到的測區(qū)外業(yè)踏勘情況和資料進(jìn)行分析，同時參考水下地形測量經(jīng)驗(yàn)，決定采用網(wǎng)絡(luò)RTK+數(shù)字測深儀的方式進(jìn)行湖底標(biāo)高測量。根據(jù)測區(qū)地形圖和測量范圍，設(shè)計規(guī)劃測量航線、檢查線、組織外業(yè)施測。外業(yè)實(shí)際測量時RTK直接利用FZCORS系統(tǒng)，將采集到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換到福州城市地方直角坐標(biāo)系上，避免內(nèi)業(yè)進(jìn)行二次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。外業(yè)采集的高程需要進(jìn)行高程異常改正才能達(dá)到土方測量規(guī)范的要求，因此，需要利用福州市似大地水準(zhǔn)面精化(FZGEOID)模型解算高程異常，此項工作需要在內(nèi)業(yè)進(jìn)行事后改正。

4.2 數(shù)據(jù)采集

具體采用GNSS綜合服務(wù)系統(tǒng)(FZCORS)和華測X91型GPS接收機(jī)配合南方SD-28D雙頻測深儀進(jìn)行湖底淤泥面標(biāo)高的三維數(shù)據(jù)采集。將GPS接收機(jī)、雙頻測深儀、隨機(jī)電腦用電纜進(jìn)行連接，同時配上蓄電池保證電源的供應(yīng)。GPS接收機(jī)和換能器需利用繩索固定在測量船上，確保在航行過程中不發(fā)生偏移，量取GPS天線至換能器底部的實(shí)際高度，設(shè)置好CORS參數(shù)后，配合事先導(dǎo)入好的測區(qū)地形圖和規(guī)劃航線，利用南方水上自由行軟件按2m步長進(jìn)行水深數(shù)據(jù)的自動采集。數(shù)據(jù)采集過程中至少需要2名工作人員，其中1人負(fù)責(zé)筆記本電腦操作GPS和測深儀，監(jiān)視采集的測深數(shù)據(jù)是否有漂移現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)RTK連接是否正常，指揮船只駕駛員沿既定的航線行使。

因靠近湖岸邊樹木較多，遮擋嚴(yán)重，無法接收到CORS差分信號，定位誤差較大，故采用全站儀配合測深桿的方案，用傳統(tǒng)極坐標(biāo)采集的方式獲取沿岸一測的湖底標(biāo)高數(shù)據(jù)。

4.3 清淤量計算

將外業(yè)采集到的測深數(shù)據(jù)，按照航線導(dǎo)出DAT格式，并利用似大地水準(zhǔn)面精化模型對高程進(jìn)行高程異常改正，獲得最終的三維湖底標(biāo)高數(shù)據(jù)。

清淤量計算采用5m方格網(wǎng)法計算，按照甲方提供的清淤方位線，在地形圖上重新繪制完整的計算范圍線(閉合)，利用CASS7.1軟件方格網(wǎng)法土方計算功能進(jìn)行清淤量計算，計算時將清淤前的原始標(biāo)高和清淤后的湖底標(biāo)高分別作為原始數(shù)據(jù)和設(shè)計面數(shù)據(jù)導(dǎo)入，方格網(wǎng)寬度按照甲方要求設(shè)置為5m。其中，設(shè)計面應(yīng)按照實(shí)際測得清淤后數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，需要事先將清淤后標(biāo)高數(shù)據(jù)建立DTM模型，存為三角網(wǎng)文件(*.sjw)，以此文件作為設(shè)計三角網(wǎng)文件。設(shè)置好計算參數(shù)后，軟件自動對測區(qū)進(jìn)行自動5×5m格網(wǎng)劃分，并計算出每個格網(wǎng)的填挖方量，最終統(tǒng)計出全部格網(wǎng)的填挖方數(shù)據(jù)，匯總得到完整的清淤工程量。

圖3 湖底標(biāo)高測量工程圖(局部)

圖4 清淤土方量計算圖(局部)

5 結(jié)語

通過對福州左海公園3個主要內(nèi)湖進(jìn)行湖底勘測，利用網(wǎng)絡(luò)RTK和數(shù)字測深儀相聯(lián)合的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速獲取湖底三維地形數(shù)據(jù)的測量方式。采用新的測量手段大大提高了作業(yè)效率，為內(nèi)業(yè)部門和設(shè)計方爭取更多時間，節(jié)約測繪成本，同時也為開展水下地形測量提供新的解決方案。在此次水下勘測任務(wù)中，獲得了城市內(nèi)湖水下勘測的有益經(jīng)驗(yàn)：

1)基于FZCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK聯(lián)合數(shù)字測深儀集成技術(shù)，與傳統(tǒng)RTK模式相比，在效率上有明顯提高，節(jié)約人力成本，尤其適用于城市內(nèi)湖等水域面積較大的開闊水域。

2)城市內(nèi)湖多為人工湖，湖底地形較為平緩，采用方格網(wǎng)法計算清淤方量更為精確，為保證內(nèi)業(yè)計算時數(shù)據(jù)量滿足要求，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時可進(jìn)行適當(dāng)加密，采用事后抽稀的方式，獲得最終湖底標(biāo)高。

3)數(shù)字測深儀的測深精度與信號反射直接相關(guān)，水下環(huán)境復(fù)雜且不可見，因此，在進(jìn)行實(shí)際作業(yè)前，需要對測深儀的測深數(shù)據(jù)和實(shí)際深度進(jìn)行對比，調(diào)節(jié)測深儀的信號頻率，根據(jù)水深回波信號進(jìn)行增益調(diào)整，確保實(shí)際測量時能夠獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

4)根據(jù)采集的湖底大地坐標(biāo)，利用似大地水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行高程異常改正，可快速獲取正確的湖底高程數(shù)據(jù)，節(jié)約外業(yè)時間和縮短作業(yè)周期。

該作業(yè)模式不僅可在城市內(nèi)湖清淤中應(yīng)用，在城市內(nèi)河、港口疏浚工程，以及日常航道的維護(hù)管理中都可以應(yīng)用。

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[2] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB12327-1998海道測量規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999:405-408.

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The Application of FZCORS and Digital Sounder Integrated Technology in Urban Lake Dredging

LIANG Zhao-yang

(DepartmentofRoadengineering，F(xiàn)ujianChuanzhengCommunicationsCollege，F(xiàn)uzhou350007，China)

Underwater topographic map plays an important role for city construction，channel dredging，lake dredging.This paper introduces the basic principles and the components of global navigation satellite system in continuously operating reference station system in Fuzhou city(FZCORS)，the technology integration of Network RTK model and digital depth sounder，the basic principles on square grid earthwork calculation method.Taking Zuohai lake dredging in Fuzhou as an example，discusses the application of FZCORS and digital depth sounder integrated technology in urban lake dredging，and draws some conclusions of this technology.

CORS；digital depth sounder；network RTK；earthwork；dredging

2017-03-01

梁昭陽(1985-)，男(漢)，福建三明，碩士，工程師 主要研究工程測量。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.023

P229

A

1009-8984(2017)02-0096-04