王性猛

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

基于TJCORS的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式在海河測(cè)量中的應(yīng)用

王性猛*

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

闡述了無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式的原理，闡述了基于TJCORS系統(tǒng)的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式及其誤差來(lái)源和改正方法，并利用本方案對(duì)海河下游水深斷面進(jìn)行了測(cè)繪，分析了無(wú)驗(yàn)潮水位精度及水底高程精度情況，試驗(yàn)結(jié)果表明本文構(gòu)建的基于TJCORS的無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量系統(tǒng)總體精度較好，能夠滿(mǎn)足海河水深測(cè)量精度要求。

TJCORS；無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式；水底高程；海河測(cè)量

1 緒 論

海河作為貫穿天津市區(qū)和渤海灣的通航河流，水運(yùn)業(yè)務(wù)也逐年增加。海河干流二道閘至新港船閘已建設(shè)成 3 000 t 級(jí)以上的內(nèi)河航道，并多次在二道閘至新港船閘之間開(kāi)展水深測(cè)量工作，服務(wù)于相關(guān)河道疏浚、清淤以及部分過(guò)河管線(xiàn)的埋設(shè)，保障船舶航行安全。這些測(cè)量中基本都采用單波束測(cè)深儀測(cè)量水深值，結(jié)合GPSRTK測(cè)量得到的水深點(diǎn)平面位置，獲取河水底高程信息。近年來(lái)，隨著天津市連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)TJCORS)的建立和普及，TJCORS以其高精度、實(shí)用性、方便性越來(lái)越多的應(yīng)用于天津市測(cè)繪行業(yè)中。天津市海河下游CORS信號(hào)較好，少有高大建筑物遮擋，其開(kāi)闊的環(huán)境尤其適宜采用TJCORS作為定位信號(hào)進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量海河水底高程。

2 基于TJCORS的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深原理

2.1 TJCORS建設(shè)情況

天津市連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)TJCORS)始建于2004年4月，2006年6月正式完成整個(gè)項(xiàng)目并投入使用。其平均邊長(zhǎng)為 30 km～40 km，共布設(shè)12個(gè)站點(diǎn)[1]。2013年，天津市連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)完成了天津市地震局8個(gè)站點(diǎn)和北京市測(cè)繪院1個(gè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的介入，完成了站點(diǎn)坐標(biāo)的重新計(jì)算升級(jí)，總站點(diǎn)達(dá)21個(gè)。目前TJCORS能夠提供快速或?qū)崟r(shí)定位、導(dǎo)航、事后相對(duì)精密定位等服務(wù)，其精度為：快速或?qū)崟r(shí)定位：水平<3 cm、垂直 <5 cm。

2.2基于TJCORS的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式

利用TJCORS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量可實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)的GPS天線(xiàn)的WGS84坐標(biāo)和大地高，結(jié)合測(cè)深儀測(cè)得的水深值，即可得到水底的平面位置和大地高信息，通過(guò)天津市測(cè)繪院已建立的成熟的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，即可獲得天津市1990坐標(biāo)系下位置和對(duì)應(yīng)的大沽高程值。無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量具體原理如圖1所示。

圖1 無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量原理圖

H大地高=L+H吃水+H水深

(1)

其中：換能器吃水可直接由鋼尺量取獲得，換能器至水底部分深度可通過(guò)測(cè)深儀測(cè)得，GPS接收機(jī)天線(xiàn)高程信息可通過(guò)RTK接收機(jī)測(cè)得，L為GPS天線(xiàn)到水面的高，也由鋼尺量取獲得；所以只要已知GPS接收機(jī)的大地高，則可實(shí)時(shí)獲得水下地形點(diǎn)的理論基準(zhǔn)面下的大地高。基于TJCORS的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式即采用GPS接收機(jī)連入CORS網(wǎng)，待固定解后直接測(cè)量獲得GPS接收機(jī)的實(shí)時(shí)三維位置信息，在數(shù)據(jù)采集軟件中，結(jié)合測(cè)深儀測(cè)量得到的水深信息，即直接獲得測(cè)區(qū)的水底大地高，測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件中經(jīng)過(guò)姿態(tài)、聲速、延時(shí)、無(wú)驗(yàn)潮改正等即可輸出獲得本項(xiàng)目所需要的水深點(diǎn)的平面位置和高程值。

3 無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深誤差分析

3.1換能器安裝偏差及船體傾斜

換能器桿同時(shí)連接RTK天線(xiàn)與換能器，如果換能器桿與豎直方向?qū)⑿纬梢粋€(gè)偏角，該偏角將使測(cè)深儀測(cè)量的水深值存在系統(tǒng)性偏差。圖2為換能器桿傾斜時(shí)詳細(xì)的誤差關(guān)系圖，其數(shù)學(xué)公式如式(2)：

圖2 換能器桿傾斜誤差關(guān)系圖

b=(h1+h2)×cosB

(2)

式中：b為實(shí)際真值；h1天線(xiàn)中心到換能器底部的長(zhǎng)度；h2為測(cè)深儀測(cè)得的水深；B為換能器桿與豎直方向的傾斜角。一般傾斜角B很小。由式(2)可知換能器桿傾斜所產(chǎn)生的傾角B越大、換能器桿越長(zhǎng)、水深值越大時(shí)，測(cè)量偏差值也越大[3]。因此，在換能器安裝時(shí)應(yīng)用專(zhuān)門(mén)制作的換能器安裝支架保證其在豎直方向上的固定，同時(shí)在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中注意其是否傾斜。

3.2測(cè)深延遲效應(yīng)

測(cè)深儀延遲是單波束測(cè)深儀的測(cè)深時(shí)刻與GPS RTK接收機(jī)瞬時(shí)記錄時(shí)間不同步導(dǎo)致的定位位置與實(shí)時(shí)水深值之間的偏差值[3，4]。測(cè)深延遲為系統(tǒng)性誤差，主要通過(guò)精確量取換能器中心與接收機(jī)天線(xiàn)相位中心的位置關(guān)系，并測(cè)量使用的測(cè)深儀聲波信號(hào)滯后時(shí)間，利用相關(guān)誤差改正公式等措施對(duì)其進(jìn)行有效改正。

3.3聲速改正

聲速是影響水深測(cè)量的重要因素。水下聲速隨著河水的溫度和鹽度不同而產(chǎn)生差異，本次作業(yè)中采用聲速剖面儀測(cè)量河道聲速剖面。在作業(yè)開(kāi)始前，選擇河流平靜、流速較小的區(qū)域，使用聲速剖面儀獲取河道實(shí)際聲速，在數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行聲速改正。

4 工程實(shí)例

項(xiàng)目位于海河下游，海津大橋至海河下游段進(jìn)行的水深測(cè)量，用單波束測(cè)深儀進(jìn)行水深測(cè)量，采用HY1602S雙頻測(cè)深儀高頻測(cè)量模式進(jìn)行，測(cè)線(xiàn)垂直于河道布設(shè)。水深測(cè)量分別采用無(wú)驗(yàn)潮模式和驗(yàn)潮模式進(jìn)行，獲得河道斷面，并將兩種方法獲得的斷面數(shù)據(jù)對(duì)比分析。項(xiàng)目位置示意圖如圖3所示：

圖3 測(cè)區(qū)位置圖

4.1外業(yè)測(cè)量

作業(yè)時(shí)，將測(cè)深儀換能器以專(zhuān)門(mén)制作的安裝支架固定在船舶中舷處，GPS天線(xiàn)高出船體且與測(cè)深儀換能器安置在同一鉛垂線(xiàn)上，同測(cè)量船連為一體，使定位中心與測(cè)深中心一致。以南方自由行軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、采樣率設(shè)置為1Hz按等距離方式記錄。測(cè)深時(shí)，測(cè)量人員實(shí)時(shí)觀察儀器設(shè)備運(yùn)行和測(cè)深紙打印情況。

4.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理分兩種方式進(jìn)行，即：驗(yàn)潮方式下水深處理和無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式下水深處理。驗(yàn)潮模式即根據(jù)在測(cè)區(qū)中間位置設(shè)置的水尺，讀數(shù)記錄得到的水位情況(采樣間隔為 10 min)，進(jìn)行水位改正后獲得數(shù)據(jù)成果；無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式水深數(shù)據(jù)成果為采用自主研發(fā)的軟件無(wú)驗(yàn)潮改正獲得的水深數(shù)據(jù)。

4.3測(cè)深數(shù)據(jù)精度分析

(1)水位結(jié)果比較

首先將水尺觀測(cè)的水位數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間內(nèi)插，并與無(wú)驗(yàn)潮模式下RTK測(cè)量獲得的潮位解結(jié)果進(jìn)行比較如圖4所示。

圖4 潮位差值統(tǒng)計(jì)

RTK水位與水位站水位互差波動(dòng)在 10 cm之內(nèi)，平均值為 5.0 cm，該差值中包含了涌浪誤差(測(cè)量船行進(jìn)過(guò)程中涌浪，及河道流水涌浪)以及水尺讀數(shù)系統(tǒng)偏差，偏差值滿(mǎn)足河道測(cè)量精度要求。

(2)水底高程結(jié)果比較

對(duì)測(cè)區(qū)域的水下測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，選取其中1條斷面進(jìn)行分析，共54個(gè)水下地形點(diǎn)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。得到相同水下地形點(diǎn)的無(wú)驗(yàn)潮高程從而比較兩種方法的高程差值，再進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)。

圖5 有驗(yàn)潮與無(wú)驗(yàn)潮方法的水底高程對(duì)比圖

圖6 有驗(yàn)潮與無(wú)驗(yàn)潮方法的水底高程差值統(tǒng)計(jì)

由圖5可以看出，水底高程互差的抖動(dòng)范圍大致在 12 cm以?xún)?nèi)，抖動(dòng)幅度比水位互差的幅度大。究其原因，測(cè)量采用的水深作業(yè)時(shí)乘坐的是小型皮劃艇式測(cè)量船，抗風(fēng)浪能力較小，在航行過(guò)程中船體搖晃幅度較大，造成誤差值波動(dòng)大。由圖4～圖6可得有驗(yàn)潮與無(wú)驗(yàn)潮方法的水底高程互差值在 5 cm內(nèi)的共占本次測(cè)量(統(tǒng)計(jì)了 7 000個(gè)測(cè)深點(diǎn)，15條斷面)的63%，互差值在 8 cm之內(nèi)的占總數(shù)的79%。對(duì)比互差在 10 cm以?xún)?nèi)的占總數(shù)的91%。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出綜合對(duì)比精度RMS值為 4.8 cm，相對(duì)較小，說(shuō)明驗(yàn)潮、無(wú)驗(yàn)潮模式下兩種水下地形內(nèi)業(yè)處理結(jié)果具有一致性。

經(jīng)過(guò)基于TJCORS的無(wú)驗(yàn)潮水位精度測(cè)試和驗(yàn)潮測(cè)量的水底高程值對(duì)比精度測(cè)試，說(shuō)明本文構(gòu)建的基于TJCORS的無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量系統(tǒng)總體精度較好，能夠滿(mǎn)足海河大橋段水深測(cè)量精度要求。

5 總 結(jié)

(1)本文闡述了天津市連續(xù)運(yùn)營(yíng)參考站(TJCORS)的運(yùn)行情況和基于TJCORS的無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式的原理，并分析了在TJCORS系統(tǒng)下無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式的誤差來(lái)源和改正方法。

(2)通過(guò)海河河道斷面測(cè)量的無(wú)驗(yàn)潮和驗(yàn)潮模式下測(cè)量，獲得的潮位數(shù)據(jù)、河道斷面數(shù)據(jù)，綜合析評(píng)價(jià)了基于TJCORS的無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量結(jié)果的精度，結(jié)果表明基于TJCORS的無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量模式精度較好，能滿(mǎn)足海河水深測(cè)量的精度要求，為類(lèi)似工程項(xiàng)目提供了技術(shù)參考。

[1] 蔡敏，張志全，汪偉等. TJCORS服務(wù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 城市建設(shè)理論研究：電子版，2013(23).

[2] 王江濤，于龍超. VRS RTK技術(shù)及其在水利勘測(cè)中的應(yīng)用[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015(17).

[3] 盧軍民，安延云，張東明等. 無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深技術(shù)中影響水深測(cè)量精度的幾個(gè)問(wèn)題探討[J]. 水運(yùn)工程，2010(5)：47-51.

[4] 李凱鋒，田建波，趙樹(shù)紅等. 無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量系統(tǒng)定位精度檢驗(yàn)[J]. 海洋測(cè)繪，2013，33(6)：22-25.

[5] 許大力. GPS-RTK無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量技術(shù)在菊花島供水工程中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪與空間地理信息，2012，35(2)：92-94.

ApplicationofNoTidalModelUnderTJCORSintheMeasurementofHaiheRiver

Wang Xingmeng

(Tianjin institute of surveying and mapping，Tianjin 300381，China)

The paper expounded the construction of Tianjin continuously operating reference station (TJCORS) and the principle of no tidal mode，analyzed the error sources and correction method of no tidal model under TJCORS. The Measurement has been used in the surveying of Haihe river. Through the actual project，this paper compared the accuracy between no tidal model with the traditional mode，The result indicated that the accuracy of no tidal model under TJCORS could satisfy the precision of Haihe river measurement.

TJCORS；without tidal observation model；underwater elevation

1672-8262(2017)05-130-03

P229，P258

B

2017—07—20

王性猛(1988—)，男，碩士，助理工程師，主要從事海洋測(cè)繪、工程測(cè)繪工作。