(1.長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200136； 2.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430012)

傳統水下地形測量方法一般是利用信標機或GNSS來獲得測點平面位置，用實測水深加上即時水位(潮位)來獲得水下測點高程[1-4]。實際計算中，測船處瞬時潮位往往利用鄰近潮位站潮位通過潮位模型獲得。潮位站處的潮位反映的僅是該位置的潮位，而不反映測船位置處的潮位。測點潮位計算模型通常使用的是“距離倒數加權法”[5]，實際測量中，潮位模型的精度易受測區(qū)支流潮位及地形變化的影響，并給最終的水下地形測量精度帶來影響。此外，潮位模型通常對于被潮位站包圍的水域具有較好的計算精度，而無水位站的水域，若采用潮位外推，則必然會給計算帶來比較大的誤差，且這種影響因缺少參照還無法估計[6-8]。

簡易的無驗潮水深測量是利用GNSS-RTK結合測深儀來進行水深測量的一種新方法[9-11]，它無需驗潮，因而解決了驗潮困難或驗潮的潮位模型對水下測量的精度影響。研究及實際應用表明，該方法也存在許多不足或尚待改進之處，如當風浪較大時，由于測船的傾斜搖擺，會使GNSS所測平面位置與測深儀所測的水下點不一致；另外，由于測深是一個直線測距的過程，當船姿變化時，波束所測的水深實際是一個斜距，而不是深度；再有，實時動態(tài)GNSS測量易受衛(wèi)星分布、衛(wèi)星狀態(tài)、差分信號傳輸、劇烈船姿變化、風浪等因素影響，導致GNSS-RTK整周跳變、衛(wèi)星失鎖，進而引起平面定位及高程數據的異常[12]。若在實際測量和數據處理中不顧及這種因素的影響，則會導致水深圖上出現平行于計劃線的突然“壟起”或“凹陷”，嚴重影響水下地形最終成果的質量。

為了最大限度地削弱上述因素對水下地形測量的影響，本文提出了一種基于多傳感器集成下的精密無驗潮水深測量新方法，下面對其設備組成、工作原理及數據處理過程進行詳細的闡述。

1 系統組成

多傳感器集成下的精密無驗潮水深測量系統主要由雙頻GNSS、精密測深儀、高更新率姿態(tài)儀、電子羅經及數據采集軟件等組成，見圖1。

在上述系統中，GNSS用來測定衛(wèi)星天線的三維坐標，測深儀用以測定實時水深，姿態(tài)傳感器及電子羅經則實時監(jiān)測船姿及航向，數據采集軟件可在導航的同時同步記錄各傳感器的實時數據。

系統的外業(yè)數據采集工序主要包括傳感器的安裝、船體坐標系的確定、傳感器初始安裝值的測定、GNSS及測深儀的比測校正、導航測量和數據采集等，見圖2。

圖1 精密無驗潮水深測量系統組成Fig.1 Components of the precision measurement of water depth without tidal observation

圖2 外業(yè)數據采集工作Fig.2 Field data collection

各傳感器之間的位置關系，可通過建立船體坐標系VFS(Vessel Frame System)來使之得到關聯。在VFS下各傳感器在船體坐標系下的坐標見圖3。

圖3 GNSS天線和換能器在船體坐標系下的坐標Fig.3 Coordinates of GNSS antenna and transducer under vessel coordinate system

船體坐標系能夠用來將GNSS位置坐標換算到水下測深點的三維坐標，并能通過其對測深數據進行姿態(tài)及時延改正。

GNSS及測深儀的比測校正，能夠保證定位和水深數據的正確性；測定姿態(tài)儀及電子羅經的初始值，可以在后續(xù)資料處理中消除其初始安裝偏差；姿態(tài)及羅經數據能夠用來對測深數據進行精密改算。

在整個系統中，各傳感器實時數據均通過數據采集軟件來整體融合、記錄并保存。

2 數據處理原理

有別于借助潮位來推求河底高程的傳統測深方式及利用動態(tài)RTK高程和水深值的簡易無驗潮方式，多源多傳感器的精密測深資料處理主要包括GNSS三維定位數據、水深數據、姿態(tài)數據、時延數據及羅經數據的處理，處理流程圖如圖4所示。

圖4 精密無驗潮水深測量內外業(yè)工作Fig.4 The indoors and field work of the precision measurement of water depth without tidal observation

2.1 測深數據編輯

水深是利用超聲反射波進行測量的。由于水草、懸浮物、氣泡、游動的魚群以及復雜的河底地形可引起異常瞬間回波，并導致換能器底部檢測失敗，為此，必須以連續(xù)回波信號為參考對測深數據進行檢測和異常數據的校正。編輯方法則采用軟件編程，提取原始記錄中的高采樣率水深數據來模擬紙質回波圖，按時間匹配加入位置定標點水深，以回波圖為參考，對測深定標記錄進行全面的校對，定標水深異常時則將其修正到回波圖對應水深位置，并對地形特征點進行人工加密。測深數據編輯不但有效地消除了異常測深的影響，且增加了對河床地形特征的真實全面反映，見圖5。

圖5 測深數據檢查編輯Fig.5 Examination and edition of depth data

2.2 定位數據的質量控制

定位數據的質量控制即對GNSS-RTK定位數據中的整周跳變、衛(wèi)星失鎖等非RTK狀態(tài)引起的異常定位數據進行探測、修復或剔除。精密水下地形測量中，GNSS可以監(jiān)測船體的垂直運動，測量船姿的姿態(tài)傳感器MRU(motion reference unit)也可以提供監(jiān)測船體垂直運動的涌浪(Heave)參數，這樣，船體的瞬時垂直運動可通過GNSS高程和Heave一致性的時序來反映，利用Heave來檢測和修正GNSS高程的模型如下。

上述一致性垂直運動算法可采用編程來處理，在對定位數據進行探測、修復或剔除后，能顯著提高平面和高程定位的質量，見圖6～7。

圖6 質控前的三維定位數據序列Fig.6 3-D position data series before the quality control

2.3 時延改正

水深測量實踐表明，GNSS系統由于內部算法、數傳和編碼問題導致測深和定位不同步，即存在時間延遲[13]。若時延為0.4 s，按照6節(jié)船速計算，該時延將會在定位點和測深點間引起約1.26 m的距離偏差，為此，在精密水深測量時必須進行時延改正。

(1) 時延確定：根據往、返測線的測深數據，可按特征點對匹配法或斷面一致性法[14-15]來確定時延改正量。

(2) 時延改正：用確定好的時延值對所有測深資料進行時延改正，如此能有效消除GNSS定位、測深定標及導航軟件記錄等系統內各單元的綜合延時影響，見圖8。

圖7 質控后的三維定位數據序列Fig.7 3-D position data series after the quality control

圖8 時延改正Fig.8 Correction of time delay

2.4 姿態(tài)改正

常規(guī)測量忽略了船體姿態(tài)變化對定位和測深的影響，實際測量中，船體姿態(tài)變化將引起約2 m的平面位置誤差和約10 cm的垂直測量誤差[16]，其影響是非常顯著的。

姿態(tài)改正的關鍵是研究理想船體坐標系與瞬時船體坐標系之間的關系，構建由橫搖和縱搖組成的瞬時旋轉矩陣，對GNSS天線在船體坐標系下的瞬時坐標進行計算，再結合其瞬時定位和測深信息，最終獲得海底點的高程[17]。

姿態(tài)改正可通過下式來實現：

姿態(tài)改正在船體坐標系VFS(Vessel Frame System)下進行。理想情況下(橫搖r、縱搖p和航向偏差均為0)，若GNSS天線與換能器間的初始杠桿臂為(x0，y0，z0)，受船姿影響變化為(x，y，z)，忽略航向偏差的影響(該偏差不影響z的變化)，則實際杠桿臂為(x，y，z)。

上式是一個通用的姿態(tài)改正模型，所不同的是各個傳感器在船體坐標系下的坐標不同，將各個傳感器在VFS下的坐標代入上式，即可得到瞬時位置在VFS下的坐標。

實際姿態(tài)改正可根據上述模型編程實現，即利用姿態(tài)傳感器(MRU)和電子羅經所采集的數據，對定位和測深數據通過姿態(tài)改正和歸位計算，來獲得高精度的水底點三維坐標，見圖9。

圖9 姿態(tài)改正Fig.9 Correction of attitude

3 工程實例及分析

為了驗證上述系統和方法的正確性，在長江口南支河段南港水域實施了比例尺為1∶2 000的水下地形測量。項目工程全長約14.8 km，測寬約560 m，最遠處距岸邊約8 km。

3.1 工作前的準備工作

(1) 參數準備及比測。為有效開展無驗潮水深測量，項目布測了D級GNSS控制網，控制網布置圖如圖10所示。

圖10 D級GNSS控制網布置Fig.10 Distribution of GNSS controlling network at Level D

GNSS控制測量由于采用邊連式構網，故有較多的多余觀測量，且圖形強度較高，擴展速度快，平均設站次數為2.25次。在基線解算及三維約束平差完成后，進行了GNSS網的坐標轉換參數推求，轉換計算模型為Bursa Wolf，參加匹配計算的公共點5個，這些公共點均勻分布在整個GNSS網中。轉換計算的最大殘差：dE為-0.041 6 m，dN為-0.010 4 m，dH為0.020 5 m，擬合精度較高。

為檢驗測量所用坐標轉換參數的正確性，特在未參與轉換計算的平面、高程控制點上進行了比測，比測結果最大位置較差為0.046 m，高程較差為0.057 m，RTK在已知點的比測，滿足項目工程實施無驗潮的精度要求。

(2) 傳感器的安裝及校準。測深儀及GNSS衛(wèi)星天線均安裝于測船近中部的船舷邊，電子羅經及姿態(tài)傳感器則安裝在測船中軸線上的近重心處。① 羅經校準：為防止電子羅經受到硬鐵磁場的影響，故將羅經在測船安裝完畢后，利用HMR3000區(qū)域磁場補償軟件修正電磁羅經磁場效應。② 傳感器初始安裝偏差測定：在測船盡可能穩(wěn)固的狀態(tài)下，采集姿態(tài)傳感器的三維運動量初始值，用GNSS-RTK在羅經采集數據的同時同步測量船艏、船尾坐標以獲得羅經安裝偏差值，采集測定時間不少于10 min。所有測定值均由專人負責備份保存以供數據精密后處理時的各項改算。

(3) 船體坐標系的確定。為便于測深資料的精密后處理，在各傳感器安裝穩(wěn)固后，將測船緊固系泊于水流平緩的碼頭邊，使用全站儀或GNSS-RTK測定船艏、船尾及各傳感器相對位置，以姿態(tài)傳感器為船體坐標系原點，計算其它各傳感器在此坐標系下的坐標。

3.2 外業(yè)實施過程

采用斷面法布置計劃測深線，預置斷面方向嚴格垂直于帶狀測區(qū)設計軸線，測線間距加密布設為20 m，設置測點間距為16 m，見圖11。

圖11 設計軸線及計劃線位置Fig.11 Position of designed axis and planned line

測深前，先用聲速剖面儀測取待測區(qū)域的水體聲速，并對每臺測深儀進行相關的系統設置，選取水深適當處進行水深比測。

實施水深測量時，采用HYPACK海測軟件來導航并采集數據，測船沿布設的計劃線勻速航行，定位儀、測深儀及其它傳感器按點距要求設定的距離間隔，同時采集斷面水下測點的平面位置數據、水深數據及姿態(tài)、羅經數據，并由定位系統的計算機同時記錄存盤。

為便于后續(xù)高精度改算時確定系統時延，在測量期間，選定了5條代表性的斷面進行了往返施測。為檢驗測量精度，對測區(qū)設計縱軸線進行了加密檢查線施測。

3.3 數據處理及精度分析

數據處理采用自編軟件《精密單波束測深數據處理系統》。處理流程為：計算并輸入各傳感器的船體坐標→輸入各傳感器安裝初始值→根據實測的往返測斷面數據確定時延→測深數據編輯整理→GNSS數據質量控制→時延改正計算→姿態(tài)改正計算→精度評定→結果輸出。

該項目工程在實際測量過程中，遇有陣風7級、波高1 m的測量時段，隨機抽取該時段內的某條測線數據，分別以傳統潮位法、簡易無驗潮和多傳感器集成下的精密無驗潮方法進行推算，將獲得的測線成果進行比較，形成典型斷面比較見圖12。

從圖12中可以看出，因數據處理原理及方法的不同，加之測量期間較大風浪的影響，3種方法的計算結果存在明顯的差異，尤以傳統驗潮法為甚。

對實測檢查線數據按精密無驗潮方法進行交叉點計算，共獲得交叉點數據539對，經統計計算，檢查點中誤差為0.05m，統計結果見表1。

由此可以認為，該項目工程測深精度非常高，是傳統方法所不及的。

圖12 典型斷面比較Fig.12 Comparison of typical cross-sections by different methods

誤差/m點數百分比/%誤差/m點數百分比/%-0.4～-0.330.60.0～0.128352.5-0.3～-0.261.10.1～0.2224.1-0.2～-0.1325.90.2～0.330.6-0.1～0.018834.90.3～0.420.4

注：檢查中誤差為0.05 m。

4 結 論

(1) 基于一致性垂直運動算法，能夠精確地獲得動態(tài)時變時延序列，對GNSS-RTK可以進行有效的質量控制。

(2) 基于姿態(tài)數據、羅經數據和RTK數據的信息融合技術，可以實現一體化船姿改正，有效降低GNSS-RTK的整周跳變及風浪、時延等對水下地形測量的影響，極大地提高水下測量的精度。

(3) 本文闡述的多源多傳感器集成下的精密無驗潮水深測量方法，在理論上是可行的，工程實例也驗證了該方法的正確性。在濱海水域、潮汐河流、沿海港口以及大中型湖泊的水下地形測量中極具推廣應用價值。