吳貴明，楊文競

(泉州市規(guī)劃勘測研究院，福建 泉州 362000)

1 引 言

隨著GPS-RKT(實時動態(tài)定位系統(tǒng))技術(shù)的日益成熟，RTK以其高精度、高效率、易操作的特點廣泛應(yīng)用于各種測量和放樣。使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行水下地形測量相當(dāng)方便、快捷。水下地形測量主要包括定位和測深兩大部分。對于一些不具備全站儀、RTK測設(shè)的地方，利用無人機進(jìn)行地形測繪。

2 主要技術(shù)工作原理

2.1 GPS-RTK技術(shù)

RTK技術(shù)中應(yīng)用的是載波相位動態(tài)實時差分技術(shù)，可以實現(xiàn)實時厘米級定位，是GPS定位技術(shù)新的發(fā)展與進(jìn)步。隨著GPS-RTK技術(shù)的不斷發(fā)展，其在工程測量、測圖工程、地籍測量等領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛，引發(fā)了測量技術(shù)的革命。

RTK在作業(yè)過程中，基準(zhǔn)站主要負(fù)責(zé)獲得觀測值、測站信息及各種數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)鏈，將數(shù)據(jù)傳輸給流動站，通過流動站對差分觀測值進(jìn)行實時處理，并計算出定位結(jié)果，其定位精度達(dá)到厘米級。GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用，極大降低了操作強度，減少了測量作業(yè)人員數(shù)量，并可以在不具備通視條件的環(huán)境下作業(yè)，其測量精度較高，應(yīng)用優(yōu)勢十分明顯。

2.2 水下地形測量原理

水下地形測量包括兩部分：定位和水深測量目前的水下地形測量的主流技術(shù)定位采用的是GPS差分定位模式，水深測量采用的是回聲測深儀的方法。這樣就可以確定水底點的高程：

Gi=H-(D+△D)

(1)

式中，Gi為水底點高程，H為水面高程，D為測量水深，△D為換能器的靜吃水。

在觀測條件比較好的情況下，考慮RTK具備比較高的高程確定精度，同時嚴(yán)格考慮船姿的影響，無驗潮模式下的水底點高程可通過下式確定：

Gi=H-D-h-△a

(2)

式中，H為GPS相位中心的高程(通過RTK直接確定)，h為GPS接收機天線相位中心距換能器面的垂距，△a為姿態(tài)引起的深度改正。

2.3 無人機生成DOM原理

利用無人機生產(chǎn)影像圖數(shù)據(jù)獲取周期較短，對天氣依賴性不強，可較靈活的獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)。

通過航線設(shè)計、影像控制測量、外業(yè)航飛獲得圖像、POS數(shù)據(jù)和控制點數(shù)據(jù)，通過影像預(yù)處理、空三加密，其中空三加密主要包括內(nèi)定向、相對定向、絕對定向、區(qū)域網(wǎng)平差計算。根據(jù)空三加密的成果，創(chuàng)建立體模型，通過核線重采樣制作核線影像生成DSM，進(jìn)行房屋過濾生成DEM。最后利用DEM對影像進(jìn)行糾正，進(jìn)行一系列處理，得到DOM。

3 在水下測量中的應(yīng)用

3.1 項目概況

(1)測區(qū)概況

為了更好地落實開展泉州市洛陽江古橋保護規(guī)劃工作，需對洛陽古橋所屬周邊地區(qū)，上下游紅樹林自然保護區(qū)和洛陽江河道部分進(jìn)行 1∶2 000和1∶5 000比例尺的水下地形測量，測區(qū)位置范圍略圖如圖2所示。測區(qū)洛陽江洛陽古橋位于福建省泉州市，又稱為萬安橋，處于泉州鯉城區(qū)與惠安縣交界處，橫跨洛陽江的入?？?。測區(qū)位置(地理坐標(biāo)大致位置為：北緯24°55′50″、東經(jīng)118°41′00″)，沿江目前已建有 6 000多畝的省級紅樹林自然保護區(qū)、濕地自然保護區(qū)。測區(qū)內(nèi)淤泥灘較多，小型的水道星羅棋布，養(yǎng)殖帶較多，潮差較小，河道中有大量的漁船行駛，給水下測繪帶來較大的不便。

圖2 測區(qū)位置范圍略圖

(2)儀器設(shè)備配備

本項目投入工程測量船一臺，發(fā)動機功率48匹，航速 4.5 km，主要用于單波束水深測量；投入無人機、RTK、聲速剖面儀、數(shù)字回聲測深儀、海測軟件、繪圖軟件、數(shù)據(jù)檢查軟件、測量船等軟硬件設(shè)備。

3.2 項目實施

(1)控制測量

福建省連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(FJCORS)，覆蓋本測區(qū)，考慮到FJCORS的精度能滿足本項目平面控制的基本要求，平面定位的數(shù)據(jù)直接采用FJCORS差分?jǐn)?shù)據(jù)，作業(yè)期間提供了實時定位和事后精密定位等服務(wù)。同時，為保證網(wǎng)絡(luò)RTK獲取測點點位的準(zhǔn)確性，首先利用測區(qū)附近泉州市C級GPS點Q028、Q030、Q032、620P進(jìn)行RTK檢核，每天測量前應(yīng)進(jìn)行檢核測量，與已知成果進(jìn)行比較，檢核精度在誤差允許范圍內(nèi)，方可進(jìn)行測量。每天測量完畢后，再次對已知點進(jìn)行檢核，以保證測量成果的正確性。

(2)水深測量

為了確保測深儀參數(shù)輸入準(zhǔn)確無誤，測區(qū)外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用投影中央子午線為120°的CGCS2000坐標(biāo)，水下地形測量采用RTK三維水深方式、單波束回聲測深儀等現(xiàn)代測繪技術(shù)手段。測量區(qū)域水下地形時，當(dāng)船通過定位技術(shù)導(dǎo)航進(jìn)入指定測區(qū)計劃測線上時，通過測深儀測量該點水深，坐標(biāo)定位和測深同步記錄并以相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式保存，最后輸出數(shù)據(jù)。水下地形點的大地高經(jīng)福建省似大地水準(zhǔn)面精化模型改正轉(zhuǎn)換成1985國家高程基準(zhǔn)，并采用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、成圖。

①主測深線布設(shè)

充分考慮測區(qū)甲方需求，按規(guī)范的要求布置測線。主測深線方向與水下等高線垂直，大部分測線為東西走向。檢查線的方向依照實際情況盡量與主測深線垂直，分布均勻，并布設(shè)在較平坦處，能普遍檢查主測深線。檢查線總長大于主測深線總長的5%。

②儀器安裝

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?？紤]到測深過程中，船速的快慢會影響到吃水深淺的變化，根據(jù)以往經(jīng)驗，測深儀換能器安裝在船舶中舷處，所受影響最小，因此測深儀換能器安裝在船舶中舷處。

③聲速采集

水下地形測量開始前，用Valeport minisvp聲速剖面儀測量測區(qū)水中的聲速，將測得的聲速值輸入到測深儀中用于測量水深。

圖3 設(shè)計線布設(shè)圖(黑色為主測線、紅色為檢查線)

④動、靜吃水改正

動態(tài)吃水：本次水深測量采用GPS-RTK方法，GPS天線安裝在測深儀探頭上方，即GPS天線與測深儀探頭固定在一起，船舶行駛過程中的動態(tài)吃水對測深儀所采集數(shù)據(jù)的影響也通過實時潮位數(shù)據(jù)來抵消，因此，本次水深測量的動態(tài)吃水不需另外單獨改正。

靜態(tài)吃水：由于本次固定RTK采用長度為 2 m的鋼管，RTK測量中心到海底水深測量點的距離是一定的(為水深值加 2 m)。故本次靜態(tài)吃水的量取對測深點的高程值沒有影響。

⑤水深測量數(shù)據(jù)采集

本次作業(yè)水深數(shù)據(jù)采集使用中海達(dá)HD-380全數(shù)字雙頻測深儀(1套)一體機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)自動存儲至計算機內(nèi)，結(jié)合中海達(dá)水深后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

測量船根據(jù)電腦屏幕上實時顯示實線的測量計劃線進(jìn)行跑位，測量軟件進(jìn)行實時定位和測深采集，并根據(jù)軟件的偏航顯示數(shù)據(jù)，隨時修正測船的航向，使測船始終沿著設(shè)計測線方向航行；船只在測線航行時，航向變化不大于5°/min。遇到特殊情況停船，轉(zhuǎn)向或變速時，應(yīng)及時定位；每天對測深儀進(jìn)行時間校準(zhǔn)，使測深儀時間標(biāo)記和定位時間保持同步。

圖4 水深測量航跡圖

(3)潮間帶地形測量

陸地和海島周邊潮間帶區(qū)域利用了1∶500泉州市航測數(shù)字化地形圖、1∶5 000數(shù)字線劃圖的成果結(jié)合LiDAR高程點數(shù)據(jù)。水深測量和 1∶500地形圖、LiDAR高程點數(shù)據(jù)均有必要的重疊區(qū)域，由水深測量獲得的高程與 1∶500地形圖、LiDAR高程點數(shù)據(jù)獲得的高程互差絕對值應(yīng)不大于 0.3 m。重疊區(qū)域使用本次實測數(shù)據(jù)，未實測的區(qū)域采用該區(qū)域的 1∶500地形圖數(shù)據(jù)，無以上數(shù)據(jù)的區(qū)域采用LiDAR高程點數(shù)據(jù)。

(4)水下地形數(shù)字成圖

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，立即投入內(nèi)業(yè)編輯與處理工作，內(nèi)業(yè)編輯與處理使用CASS9.1成圖軟件，并處理成圖。

①聲速改正

測深儀測深前輸入的聲速剖面儀法計算獲得的聲速固定值。雖然聲速在水下的傳播速度是隨著深度的增加而增大，測區(qū)整體上以淺水區(qū)為主，最深的水深為 12.63 m，水深均在 20 m以內(nèi)，故本項目數(shù)據(jù)后處理不做聲速改正。

②水深數(shù)據(jù)處理

由參加測量的外業(yè)人員對所測的外業(yè)資料進(jìn)行全面檢查、校核，對海測軟件所采集的水深數(shù)據(jù)與電子測深圖譜上的打印值逐一進(jìn)行校核，剔除跳點數(shù)據(jù)；對計算機采集的GPS定位數(shù)據(jù)逐一檢查，去除非固定解值，并校核無誤后進(jìn)行測點高程計算。對水下地形測量中漏測地形特征點根據(jù)回聲記錄波形圖上記錄顯示，在原始每秒數(shù)據(jù)中摘取。

③水下地形圖的繪制

水下地形圖的水下部分使用實測檢查后無誤的水下高程點，利用CASS9.1構(gòu)建三角網(wǎng)，生成水下等高線，對生成不合理的等高線進(jìn)行編輯修改，最終編繪成圖。

由于CASS軟件未提供水下等高線的繪制，為了與陸地等高線區(qū)別，項目中將 0 m以下的水下等高線分別歸到水下等高線首曲線、水下等高線計曲線圖層，顏色為青色。

圖5 CASS9.1勾繪水下等高線效果圖

④水下地形圖的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用CASS9.1自帶的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，導(dǎo)入四個已知點數(shù)據(jù)，直接將整張圖先轉(zhuǎn)到中央子午線120°的1954年北京坐標(biāo)系，再通過換帶計算把圖轉(zhuǎn)到泉州地方坐標(biāo)系。

4 質(zhì)量控制

4.1 質(zhì)量保證體系

為有效完成各項任務(wù)，加強各分項目之間的工作協(xié)調(diào)能力，我院作為任務(wù)承擔(dān)單位由單位主管領(lǐng)導(dǎo)指揮，組成海洋測繪項目組，以ISO 9001∶2008標(biāo)準(zhǔn)要求，對整個工程實施過程進(jìn)行全程控制和監(jiān)督。

4.2 質(zhì)量保證措施

項目中，遵循先設(shè)計后生產(chǎn)的原則，實行兩級檢查一級驗收的制度。

在作業(yè)過程中，項目外業(yè)負(fù)責(zé)人利用中海達(dá)的后處理軟件對小組核查編輯后的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行抽檢。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，項目組組織專門質(zhì)檢人員對RTK比對記錄、實測高程點范圍是否符合要求，潮間帶與水下測量是否有重疊、檢測線是否按設(shè)計(采用主、檢測線和潮間帶與水下測量重疊部高程比對)等進(jìn)行了內(nèi)業(yè)資料的完整性、成果數(shù)據(jù)圖件正確性檢查，并及時將檢查意見反饋于作業(yè)組，及時進(jìn)行整改。本次檢查線與主測線長度之比為8.8，符合規(guī)范要求。

統(tǒng)計主測線與檢查線交叉點的高程比對，并計算點位高程中誤差。中誤差公式采用下式計算：

主、檢測線不符值限差規(guī)定：水深0 m～20 m時：小于 0.4 m；超限的點數(shù)不得超過參加比對總點數(shù)的20%。

高程檢測統(tǒng)計表 表2

滿足項目設(shè)計要求，質(zhì)量合格。

項目完成后，由項目組所在科室進(jìn)行院一級檢查，檢查合格后由院質(zhì)檢科進(jìn)行二級檢查，檢查合格后提交省質(zhì)監(jiān)站驗收。

5 技術(shù)問題處理

5.1 紅樹林邊界線問題

洛陽江古橋測區(qū)附近紅樹林具有密度大、分布無規(guī)律等特點，且實地有專人看護，不允許測船進(jìn)入，又不具備全站儀、RTK確定林地邊界的條件，因此項目中利用了無人機獲取高分辨率影像圖來確定其范圍線。

5.2 關(guān)于養(yǎng)殖帶和養(yǎng)殖的水塘的繪制

測區(qū)養(yǎng)殖的種類復(fù)雜，海蠣樁的范圍結(jié)合水下地形測量中的部分定位點粗略繪制。蝦塘蟹塘等養(yǎng)殖的水塘依據(jù)無人機獲取高分辨率影像圖確定其范圍線和大小，再依據(jù)外業(yè)調(diào)查確定其養(yǎng)殖種類。

6 結(jié) 語

GPS-RTK以其高精度、高效率、易操作的特點廣泛應(yīng)用于水下地形測量，大大提高了水下地形測量的效率和準(zhǔn)確性。本項目中利用GPS-RTK和無人機測繪技術(shù)的有效結(jié)合，解決了不易獲取GPS信號測區(qū)的測繪。在復(fù)雜地形的水下地形測量時，尤其是對于不方便設(shè)站、測區(qū)內(nèi)淤泥灘、養(yǎng)殖帶較多的水域，利用GPS-RTK和無人機的有效結(jié)合可以更方便精確地進(jìn)行測量，提高測量的精確性，提高測繪效率。利用不同技術(shù)的結(jié)合使用將是以后測量技術(shù)發(fā)展的一個新方向。

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