高興國(guó)，田梓文，麻德明,3，鄭 劍，劉焱雄

(1. 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?山東 濟(jì)南 250013； 2. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061； 3. 中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

水深測(cè)量是海道測(cè)量和海底地形測(cè)量基本手段，也是海洋工程建設(shè)前要進(jìn)行的基礎(chǔ)工作，無驗(yàn)潮水深測(cè)量和人工驗(yàn)潮水深測(cè)量是目前水深測(cè)量中常用的兩種方法。與無驗(yàn)潮水深測(cè)量方式相比，采用人工驗(yàn)潮站的方式，不僅成本高、作業(yè)效率低，而且由于人為因素干擾，水位改正誤差被累積，有限的驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)也很難構(gòu)造精確的潮汐模型，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果可靠性差。

近年來，隨著GNSS技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)崟r(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地將高精度的定位數(shù)據(jù)引入水深測(cè)量中，使得無驗(yàn)潮水深測(cè)量模式成為現(xiàn)實(shí)并得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-4]。桑金[5]在國(guó)內(nèi)首先采用了GPS大地高的信息進(jìn)行水深改正，認(rèn)為它是一種實(shí)時(shí)的、與動(dòng)吃水無關(guān)的、無驗(yàn)潮站的水位改正方法，可以認(rèn)為是我國(guó)無驗(yàn)潮水深測(cè)量的初步探討。隨后不同學(xué)者利用GPS RTK、CORS等技術(shù)進(jìn)行了無驗(yàn)潮水深測(cè)量應(yīng)用[6-10]，奠定了GNSS無驗(yàn)潮技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。水深測(cè)量包含定位和測(cè)深兩個(gè)方面，只有同時(shí)提高定位和測(cè)深的精度，才能提供高精度的水下地形信息數(shù)據(jù)，因此在開展無驗(yàn)潮測(cè)量應(yīng)用的同時(shí)，學(xué)者們分別對(duì)無驗(yàn)潮測(cè)量作業(yè)模式的誤差來源和測(cè)量精度進(jìn)行了分析與評(píng)估[11-16]，特別是在定位精度、船舶姿態(tài)、時(shí)間延遲、姿態(tài)改正等方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究與探討，并提出了消除或減小誤差的技術(shù)方法，為優(yōu)化作業(yè)方案提供參考。

1 無驗(yàn)潮基本原理

無驗(yàn)潮測(cè)深法是相對(duì)于傳統(tǒng)的驗(yàn)潮測(cè)深的水下地形測(cè)量技術(shù)而言的，海上無驗(yàn)潮測(cè)量集成多種類型傳感器和軟件，包括高精度定位設(shè)備(GNSS)、姿態(tài)傳感器(INS)和測(cè)深設(shè)備(SB/MB)及數(shù)據(jù)采集軟件?；驹硎牵捎肎NSS橢球高及測(cè)深儀的深度，測(cè)得附近水準(zhǔn)點(diǎn)的深度基準(zhǔn)面大地高，通過比測(cè)求得轉(zhuǎn)換參數(shù)，獲取海底高程的一種方法。具體是指高精度定位(RTK、PPK、PPP)/定姿技術(shù)(INS)與測(cè)深技術(shù)(單波束/多波束)相結(jié)合，在已知海上似大地水準(zhǔn)面(或似大地水準(zhǔn)面未知，但測(cè)量區(qū)域較小，只需固定的高程異常)和深度基準(zhǔn)面的海域上，基于GNSS瞬時(shí)橢球高、測(cè)深儀瞬時(shí)水深和姿態(tài)傳感器瞬時(shí)姿態(tài)等觀測(cè)信息，通過姿態(tài)信息對(duì)橢球高和瞬時(shí)水深進(jìn)行改正，直接確定基于橢球面的水深(或高程)，再利用高程異常和深度基準(zhǔn)面(垂直基準(zhǔn))，將水深換算到國(guó)家高程基準(zhǔn)或理論深度基準(zhǔn)面。以單波束(SB)測(cè)深為例，該系統(tǒng)由GNSS RTK系統(tǒng)、單波束測(cè)深系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器INS組成，其工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 海上無驗(yàn)潮單波束測(cè)深工作原理

GNSS天線到船上姿態(tài)儀的高度為H1，測(cè)深儀到船上姿態(tài)儀的距離為H2，測(cè)深儀測(cè)量到海底的深度為H，假設(shè)GNSS測(cè)得高程為Hd，即GNSS到參考橢球面的高度(大地高)，利用垂直基準(zhǔn)模型，換算得到GNSS天線到理論深度基準(zhǔn)面的距離H0，根據(jù)式(1)可得到測(cè)深儀到理論深度基準(zhǔn)面的距離h，利用式(2)即可得到海底某點(diǎn)的水深值h0，這樣就獲取了此點(diǎn)的CGCS2000三維坐標(biāo)。

h=H0-H1-H2

(1)

h0=H-h

(2)

2 工作流程及關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

水深測(cè)量作業(yè)流程可分為三大步驟，即測(cè)前準(zhǔn)備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)后處理形成成果輸出。測(cè)前準(zhǔn)備主要包括測(cè)區(qū)控制網(wǎng)建立、轉(zhuǎn)換參數(shù)求算(如需要)及測(cè)線布設(shè)等；外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括基站架設(shè)，GNSS接收機(jī)、測(cè)深儀等連接、配置及參數(shù)改正后進(jìn)行測(cè)量；數(shù)據(jù)后處理即將采集軟件獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(GNSS、INS和測(cè)深設(shè)備之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換等)生成水深成果圖，如圖2所示。

為了獲取精確的水深數(shù)據(jù)，需要高精度GNSS定位技術(shù)(GNSS RTK、GNSS PPK和GNSS PPP等)，而在海上進(jìn)行水深地形測(cè)量時(shí)會(huì)受到波浪、潮汐等因素的影響，換能器探測(cè)的水深數(shù)據(jù)需要經(jīng)過換能器吃水、海水聲速、姿態(tài)、涌浪和水位等歸算改正[16]，利用高精度的垂直基準(zhǔn)模型，才能得到基于某一深度基準(zhǔn)面的水深。具體包括以下關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

圖2 無驗(yàn)潮測(cè)量作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

2.1 GNSS精度控制與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

根據(jù)以上理論和方法，優(yōu)化后的精密水深測(cè)量模式中每個(gè)歷元的GNSS RTK平面和高程解均需準(zhǔn)確，故對(duì)GNSS的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，同時(shí)經(jīng)過框架轉(zhuǎn)換和歷元?dú)w算把坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成CGCS2000坐標(biāo)。

2.2 時(shí)延修正

水深測(cè)量中，由于GNSS內(nèi)部算法、數(shù)據(jù)傳輸與編碼等問題常導(dǎo)致定位時(shí)間與測(cè)深儀獲得定位信號(hào)時(shí)間不同步，即存在時(shí)間延遲，為確保二者嚴(yán)格同步，必須進(jìn)行時(shí)延探測(cè)與修正。時(shí)延確定方法通常利用往返觀測(cè)的方式，尋找同一特征點(diǎn)的兩個(gè)位置，也可采用斷面整體平移法等。

2.3 姿態(tài)改正

確定理想船體坐標(biāo)系與瞬時(shí)船體坐標(biāo)系之間的關(guān)系，構(gòu)建由橫搖和縱搖組成的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)矩陣，計(jì)算GNSS天線在船體坐標(biāo)系下的瞬時(shí)坐標(biāo)，再結(jié)合其瞬時(shí)定位和測(cè)深信息及垂直基準(zhǔn)模型，最終獲得海底點(diǎn)的高程[17]。

3 應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 研究區(qū)概況

本次試驗(yàn)選取在山東省煙臺(tái)海陽市萬米沙灘海域，布設(shè)了20條測(cè)深斷面作為試驗(yàn)對(duì)象。根據(jù)現(xiàn)有資料可知，測(cè)區(qū)東西跨度約為9 km，地形變化平緩，總體走勢(shì)呈北高南低。測(cè)深斷面長(zhǎng)度約為4 km，平均間隔為400 m，如圖3所示。

圖3 測(cè)區(qū)示意圖

3.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

本次試驗(yàn)租用當(dāng)?shù)貪O船作為測(cè)量船，測(cè)深儀換能器安置在船舶前1/3處，以減少螺旋槳等振動(dòng)裝置造成的噪聲干擾，測(cè)線航偏距控制在10 m以內(nèi)，水深數(shù)據(jù)采集與處理基于Hypack軟件完成，Hypack集導(dǎo)航、采集與數(shù)據(jù)處理功能于一體。測(cè)量導(dǎo)航窗口(如圖4所示)可按要求加載底圖、測(cè)線等測(cè)區(qū)信息，實(shí)時(shí)顯示船行位置和水深變化情況，也可對(duì)船向、導(dǎo)航參數(shù)、打標(biāo)方式適時(shí)修改；Hypack同時(shí)提供了數(shù)據(jù)處理模塊——單波束編輯器，水深數(shù)據(jù)處理以單個(gè)水深原始記錄文件為單位，單波束編輯器讀取的水深原始記錄文件中的所有數(shù)據(jù)會(huì)在圖表窗口顯示，RTK潮位改正信息和水深改正值也可在表格中顯示(如圖5所示)。水深數(shù)據(jù)處理的重要工作是水深值去噪，由Hypack自動(dòng)濾波模塊完成。經(jīng)改正后的水深值即為海底高程值，Hypack以海面向下為正，故在數(shù)據(jù)輸出時(shí)應(yīng)取負(fù)輸出。

圖4 導(dǎo)航窗口

3.3 精度驗(yàn)證

(1) 為驗(yàn)證測(cè)深精度，本次試驗(yàn)采用正交比對(duì)進(jìn)行內(nèi)符合精度檢測(cè)，并將經(jīng)過同步驗(yàn)潮數(shù)據(jù)改正所得的海底高程作為真實(shí)值，進(jìn)行精度評(píng)定。

圖5 單波束編輯器

統(tǒng)計(jì)項(xiàng)互差/m00.10.2≥0.3合計(jì)個(gè)數(shù)55121068百分比/(%)811810100

由表1可知，水深值正交對(duì)比互差為0的占所檢驗(yàn)總數(shù)的81%，而互差≥0.2 m的點(diǎn)數(shù)僅有1個(gè)，證明無驗(yàn)潮測(cè)深數(shù)據(jù)內(nèi)符合精度良好，無驗(yàn)潮測(cè)深模式穩(wěn)定性較高。

(2) 無驗(yàn)潮測(cè)深數(shù)據(jù)外符合精度，是以經(jīng)驗(yàn)潮改正的水深值為真值，采用同名點(diǎn)對(duì)比的方法進(jìn)行評(píng)定。為使潮位改正更加真實(shí)有效，本次試驗(yàn)在測(cè)深時(shí)先進(jìn)行了動(dòng)態(tài)吃水的測(cè)定。測(cè)量船在測(cè)深時(shí)動(dòng)力穩(wěn)定，船速始終維持在5節(jié)左右。本次試驗(yàn)采用RTK方法，對(duì)測(cè)量船動(dòng)態(tài)吃水進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)量時(shí)正處于高平潮期，且測(cè)量時(shí)間較短，在5 min左右，因此可不考慮潮位影響。測(cè)定結(jié)果如圖6所示。

圖6 動(dòng)靜態(tài)水面高程變化

由圖6可知，船在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)吃水加深。進(jìn)一步分析測(cè)量數(shù)據(jù)得出，動(dòng)靜態(tài)水面高程平均值差值為0.09 m，即測(cè)量時(shí)船舶動(dòng)態(tài)吃水為+0.09 m。動(dòng)態(tài)吃水將在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中改正。

(3) 驗(yàn)潮式水深數(shù)據(jù)改正，同樣由Hypack軟件完成，以避免數(shù)據(jù)處理軟件在數(shù)據(jù)處理方法上的差異對(duì)處理結(jié)果可能造成的影響。表2為不同測(cè)深模式下，水深同名點(diǎn)不符值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，測(cè)深同名點(diǎn)不符值為0的點(diǎn)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)的41.52%；而不符值僅為0.1 m的點(diǎn)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)的42.13；不符值≥0.3 m的點(diǎn)數(shù)僅占總數(shù)的3.34%。這說明，無驗(yàn)潮測(cè)深模式測(cè)深成果與傳統(tǒng)驗(yàn)潮測(cè)深模式測(cè)深成果是等價(jià)的，證明無驗(yàn)潮測(cè)深模式具有同等精度。

表2 同名點(diǎn)不符值統(tǒng)計(jì)

分析水深同名點(diǎn)不符值正態(tài)統(tǒng)計(jì)圖(如圖7所示)，可以得出，兩種模式測(cè)深不符值大致分布在-0.15～0.5 m之間，不符值平均數(shù)為-0.05 m，完全滿足當(dāng)前測(cè)深規(guī)范對(duì)測(cè)深精度的要求。

圖7 水深同名點(diǎn)不符值統(tǒng)計(jì)

綜合分析本次試驗(yàn)結(jié)果可知，優(yōu)化后的無驗(yàn)潮測(cè)深作業(yè)模式可行，在GNSS定位精度可以保證的情況下，測(cè)深數(shù)據(jù)成果精度可靠。

4 結(jié) 語

本文基于無驗(yàn)潮測(cè)深原理，提出了優(yōu)化的海上無驗(yàn)潮測(cè)深模式，能有效消除動(dòng)態(tài)吃水及波浪等因素影響，避免了由于潮位觀測(cè)帶來的水位改正誤差，節(jié)約了作業(yè)成本，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)后處理程序，有效地提高了水深測(cè)量的工作效率，并得到了實(shí)踐的檢驗(yàn)，從內(nèi)符合精度和外符合精度兩個(gè)方面進(jìn)行了精度評(píng)估與驗(yàn)證，無驗(yàn)潮測(cè)深模式是可行的，可在海洋工程的水下地形測(cè)量中推廣普及應(yīng)用。