曾 彪

(惠州市華禹水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 惠州 516000)

0 引言

傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法存在一些局限性,限制了測(cè)量的準(zhǔn)確性和效率。其中包括:傳統(tǒng)測(cè)深方法的不準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)獲取困難、數(shù)據(jù)處理繁瑣。因此,需要尋找一種準(zhǔn)確、高效的水下地形測(cè)量方法來(lái)克服傳統(tǒng)方法的局限性,提高測(cè)量的精度和效率。結(jié)合RTK技術(shù)和測(cè)深儀的應(yīng)用能夠有效解決這些問(wèn)題,并為水下地形測(cè)量帶來(lái)新的可能性[1]。

1 RTK和測(cè)深儀的原理與特點(diǎn)

1.1 RTK技術(shù)的基本原理和工作方式

RTK(Real-Time Kinematic)技術(shù)是一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù),利用全球定位系統(tǒng)(GPS)或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)獲取高精度的位置信息。其基本原理是通過(guò)同時(shí)觀測(cè)接收基準(zhǔn)站和移動(dòng)站接收的衛(wèi)星信號(hào),并通過(guò)差分計(jì)算來(lái)消除大氣延遲、接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星軌道誤差等因素的影響,從而提供具有厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的實(shí)時(shí)位置解算[2]。

RTK技術(shù)的工作方式包括基準(zhǔn)站和移動(dòng)接收機(jī)兩部分?；鶞?zhǔn)站通過(guò)接收來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)并進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量結(jié)果傳輸給移動(dòng)接收機(jī)。移動(dòng)接收機(jī)同時(shí)接收來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)和基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù),通過(guò)差分計(jì)算得到高精度的位置解算結(jié)果。RTK技術(shù)具有實(shí)時(shí)性和高精度的特點(diǎn),適用于需要高精度定位的測(cè)量任務(wù)。

1.2 測(cè)深儀的原理和功能

測(cè)深儀是一種用于測(cè)量水體深度的設(shè)備,可以實(shí)時(shí)獲取水深數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的測(cè)深儀包括聲學(xué)測(cè)深儀和雷達(dá)測(cè)深儀兩種類型。聲學(xué)測(cè)深儀利用聲波在水中傳播的原理進(jìn)行測(cè)量,它發(fā)送聲波信號(hào)并記錄信號(hào)的反射時(shí)間,根據(jù)聲速和時(shí)間差計(jì)算水深。聲學(xué)測(cè)深儀適用于不同水體環(huán)境,可以測(cè)量較大深度的水域。雷達(dá)測(cè)深儀則利用電磁波在水中的傳播進(jìn)行測(cè)量。它發(fā)送電磁波信號(hào),并通過(guò)接收反射信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算水深。雷達(dá)測(cè)深儀適用于淺水區(qū)域,具有快速測(cè)量和高精度的特點(diǎn)。測(cè)深儀的功能不僅限于測(cè)量水深,還可以提供水下地形的信息,如水底地貌、沉積物分布等。它們可以與其他測(cè)量設(shè)備結(jié)合使用,如RTK技術(shù),以獲取更全面和精確的水下地形數(shù)據(jù)[3]。

測(cè)深儀搭載RTK的測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定位與測(cè)深一體化,作業(yè)效率大幅提升,在大中型水庫(kù)水下測(cè)量中具有較大優(yōu)勢(shì),現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用。采用這種方法,水底高程可以通過(guò)公式(1)獲取,水深可以通過(guò)公式(2)獲取。其中H為水底高程,HS為水深,HG為RTK接收機(jī)高程值,H1為RTK接收機(jī)至水面的距離,H2為測(cè)深儀換能器至水面的距離,H3為測(cè)深儀換能器至水底的距離(圖1)。

圖1 基于RTK測(cè)深原理

H=HG-H1-H2-H3

(1)

HS=H2+H3

(2)

2 RTK與測(cè)深儀相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)

2.1 實(shí)時(shí)高精度定位的優(yōu)勢(shì)

表1是RTK與測(cè)深儀相結(jié)合的實(shí)時(shí)高精度定位技術(shù)的主要特點(diǎn)。RTK與測(cè)深儀相結(jié)合的實(shí)時(shí)高精度定位技術(shù)具有高精度性能、實(shí)時(shí)性、即時(shí)糾正、高效性和多樣性應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使得該技術(shù)成為現(xiàn)代測(cè)量領(lǐng)域中重要的定位方法,為各種應(yīng)用提供了準(zhǔn)確可靠的位置信息[4]。

表1 實(shí)時(shí)高精度定位技術(shù)的主要特點(diǎn)

2.2 深度測(cè)量的準(zhǔn)確性和效率提升

(1) 準(zhǔn)確性提升:結(jié)合RTK與測(cè)深儀,利用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和數(shù)據(jù)處理,修復(fù)和刪除低質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù),確保深度測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)基線解算和分析,得到各時(shí)段的GPS基線向量和方差-協(xié)方差矩陣,提高深度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

(2) 效率提升:采用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)基線進(jìn)行分析、解算和處理,通過(guò)自動(dòng)化的處理流程,逐步獲取精確的基線處理結(jié)果。這種自動(dòng)化的處理流程大大提高了深度測(cè)量的效率,減少了人工處理的時(shí)間和工作量。

(3) 數(shù)據(jù)一致性檢查:對(duì)于閉合差和重復(fù)邊的計(jì)算,通過(guò)檢查和比較同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)環(huán)閉合差,確保測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性。這樣可以排除數(shù)據(jù)異常和錯(cuò)誤,提高深度測(cè)量結(jié)果的可信度。

(4) 精度要求提升:在深度測(cè)量中,通過(guò)建立GPS(E)級(jí)網(wǎng)和一級(jí)導(dǎo)線網(wǎng),以及布設(shè)圖根控制點(diǎn),滿足測(cè)圖的精度要求。在控制網(wǎng)絡(luò)的建立和測(cè)量過(guò)程中,采用高精度的測(cè)量設(shè)備和方法,進(jìn)一步提升深度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

通過(guò)RTK與測(cè)深儀相結(jié)合的方法,深度測(cè)量可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果,并且在時(shí)間和人力成本上實(shí)現(xiàn)更高效的測(cè)量過(guò)程。通過(guò)提升準(zhǔn)確性、優(yōu)化處理流程、進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性檢查和滿足精度要求的控制網(wǎng),深度測(cè)量的準(zhǔn)確性和效率得到了顯著的提升[5]。

2.3 數(shù)據(jù)融合與地形建模的優(yōu)勢(shì)

(1) 數(shù)據(jù)多源融合:在數(shù)據(jù)融合與地形建模過(guò)程中,通過(guò)結(jié)合RTK與測(cè)深儀,同時(shí)利用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)深儀測(cè)量數(shù)據(jù),將兩種不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。通過(guò)綜合利用這些數(shù)據(jù),可以獲得更全面、準(zhǔn)確的地形信息,為地形建模提供更豐富的數(shù)據(jù)源。

(2) 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性提升:采用RTK與測(cè)深儀相結(jié)合的方法,包括GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)深儀測(cè)量數(shù)據(jù),可以提高地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)使用高精度的測(cè)量設(shè)備和嚴(yán)格的觀測(cè)方法,保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,從而提高地形建模的準(zhǔn)確性。

(3) 數(shù)據(jù)處理與整合:在數(shù)據(jù)處理和整合過(guò)程中,通過(guò)專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合,確保測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性和精確性。將RTK與測(cè)深儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,獲得滿足規(guī)范要求的地形數(shù)據(jù),為地形建模提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(4) 地形建模的精度和真實(shí)性提升:通過(guò)數(shù)據(jù)融合與地形建模,將融合后的準(zhǔn)確地形數(shù)據(jù)應(yīng)用于地形建模過(guò)程中。這樣可以提高地形建模的精度和真實(shí)性,使生成的地形模型更符合實(shí)際地貌特征,為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。

通過(guò)RTK與測(cè)深儀相結(jié)合的數(shù)據(jù)融合與地形建模方法,可以獲得更準(zhǔn)確、全面的地形模型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)多源融合、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的提升、數(shù)據(jù)處理與整合以及地形建模的精度和真實(shí)性提升,為各種應(yīng)用領(lǐng)域提供更可靠的地理信息數(shù)據(jù)支持。

3 羅定市水庫(kù)地形測(cè)量案例研究

本次主要針對(duì)羅定市碌包坑水庫(kù)、黃膽嶺水庫(kù)、黃嶺水庫(kù)等6宗水庫(kù)進(jìn)行陸地及水下地形測(cè)量。依據(jù)收集的岸線資料及概略水下地形資料布設(shè)測(cè)線,利用聲速剖面儀、水文資料等確定聲速,按規(guī)范組裝經(jīng)檢校合格的RTK及測(cè)深儀作為一套水下高程數(shù)據(jù)采集裝置,岸上地形利用瑞士徠卡公司TCR402的全站儀和中海達(dá)公司iRTK2型的RTK進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。利用廣東省國(guó)土CORS專網(wǎng)卡獲取精確的三維坐標(biāo),并對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行坐標(biāo)和高差改正,參數(shù)設(shè)置完成后用測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)深,經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量檢驗(yàn)后,形成水下地形測(cè)量成果(圖2)。

圖2 水下地形測(cè)量流程圖

3.1 陸地地形測(cè)量

地形圖測(cè)繪采用了瑞士徠卡公司TCR402的2”全站儀和中海達(dá)公司iRTK2型的RTK進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。使用GPS-RTK和全站儀直接儲(chǔ)存兩種方式進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集,并按照規(guī)范要求進(jìn)行實(shí)測(cè)工作。為了獲取準(zhǔn)確的高程信息,特別對(duì)于難以用極坐標(biāo)方法實(shí)測(cè)的點(diǎn),采用加測(cè)輔助點(diǎn)和加量輔助邊的方式,并在室內(nèi)利用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理和成圖采用南方儀器公司的CASS10.1軟件,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化地形圖繪制和分層管理。

3.2 水下地形測(cè)量

羅定市小水庫(kù)群的水下地形測(cè)量設(shè)備采用RTK和中海達(dá)測(cè)深儀HD-MAX相結(jié)合。野外數(shù)據(jù)采集點(diǎn)密度按照規(guī)范進(jìn)行實(shí)測(cè),包括水下高程點(diǎn)的采集。測(cè)量方法包括利用HD-MAX測(cè)深儀和GPS接收機(jī)連接,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位獲取測(cè)量點(diǎn)的平面坐標(biāo)和實(shí)時(shí)水面高程,并結(jié)合測(cè)深儀的水深信息實(shí)現(xiàn)水下地形測(cè)量。水深測(cè)量前后進(jìn)行檢測(cè)和校正,確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,如圖2所示。

(1)利用HD-MAX雙頻測(cè)深儀和GPS接收機(jī)連接,形成一個(gè)完善的水上測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),利用RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的優(yōu)勢(shì),獲取每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平面坐標(biāo)及實(shí)時(shí)的水面高程,加上測(cè)深儀所測(cè)得的水深,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量。

(2)每次作業(yè)前,應(yīng)分別在靜水和動(dòng)水條件下,用檢測(cè)板對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行比對(duì),測(cè)定測(cè)深儀的合理實(shí)際聲速,符合要求后才進(jìn)行作業(yè),作業(yè)后應(yīng)再次進(jìn)行檢測(cè)。水位觀測(cè)于水深測(cè)量測(cè)前10分鐘開(kāi)始,測(cè)后10分鐘結(jié)束。

(3)測(cè)線方向:本次水下主測(cè)線方向垂直于壩軸線方向布設(shè)。

(5)本次外業(yè)數(shù)據(jù)檢查采用布設(shè)檢查線的方式進(jìn)行,檢查線基本垂直于主測(cè)深線,檢查線總長(zhǎng)度大于主測(cè)深線長(zhǎng)度的5%。

(6)對(duì)河道水深小于1 m的區(qū)域采用測(cè)深桿進(jìn)行水下高程點(diǎn)采集。

(7)根據(jù)《測(cè)繪作業(yè)人員安全規(guī)范》(CH 1016-2008)及水上作業(yè)的相關(guān)要求,采取有效的措施如佩戴救生衣來(lái)確保作業(yè)人員及儀器的安全。

3.3 斷面測(cè)量

對(duì)于水下斷面測(cè)量分兩種情況:水不深的區(qū)域采用RTK+探測(cè)桿法進(jìn)行水下高程點(diǎn)采集,水較深的區(qū)域采用沖鋒舟配中海達(dá)HD-MAX測(cè)深儀進(jìn)行水下測(cè)量。內(nèi)業(yè)成圖采用南方儀器公司的CASS10.1軟件進(jìn)行數(shù)字化成圖,提供符合AUTOCAD2000格式的DWG圖。

3.4 檢查驗(yàn)收與精度評(píng)定

地形測(cè)量和斷面測(cè)量實(shí)行三級(jí)檢查。首先由測(cè)量組自檢,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后進(jìn)行改正。然后由工地項(xiàng)目組進(jìn)行檢查,確保測(cè)量質(zhì)量符合設(shè)計(jì)施工要求。最后由院總公辦派人進(jìn)行最終的檢查驗(yàn)收。檢查方法包括100%的外業(yè)巡視和設(shè)站檢查。質(zhì)量檢查中對(duì)主測(cè)線與檢查線76 582個(gè)重合水下高程點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,10 m以內(nèi)中誤差為0.14 m,10～20 m中誤差為0.17 m,差值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)檢查和精度評(píng)定,測(cè)量質(zhì)量能夠滿足要求。

表2 主測(cè)線與檢查線重合水下高程點(diǎn)差值統(tǒng)計(jì)表

以上是對(duì)羅定市小水庫(kù)群進(jìn)行陸地及水下地形測(cè)量和斷面測(cè)量的方法和過(guò)程進(jìn)行的案例研究。這些測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于羅定水庫(kù)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工提供了準(zhǔn)確可靠的地形信息,為水庫(kù)工程的順利進(jìn)行提供了重要支持。

4 應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)

4.1 RTK結(jié)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的潛力

(1)高精度測(cè)量:RTK技術(shù)能夠提供高精度的水平位置信息,與測(cè)深儀結(jié)合使用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下地形的準(zhǔn)確測(cè)量,提供精確的地形數(shù)據(jù)。

(2)實(shí)時(shí)性和效率:RTK技術(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位,可以快速獲取位置信息,結(jié)合測(cè)深儀的即時(shí)測(cè)量,能夠?qū)崿F(xiàn)高效的水下地形測(cè)量,提高工作效率。

(3)無(wú)需驗(yàn)潮:利用RTK技術(shù)和測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量,不需要依賴潮汐數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行高程校正,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)驗(yàn)潮的地形測(cè)量,節(jié)省了時(shí)間和成本。

數(shù)據(jù)融合:結(jié)合RTK和測(cè)深儀獲取的數(shù)據(jù),可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和整合,生成完整的水下地形模型,為水利工程、海洋研究等領(lǐng)域提供準(zhǔn)確的地形信息。

4.2 技術(shù)應(yīng)用的限制和改進(jìn)方向

盡管RTK結(jié)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中具有潛力,但也存在一些技術(shù)應(yīng)用的限制和挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步改進(jìn)和解決:

(1)水下環(huán)境的限制:水下環(huán)境復(fù)雜多變,存在水流、波浪、潮汐等因素的干擾,對(duì)RTK和測(cè)深儀的性能和準(zhǔn)確度提出了要求。未來(lái)需要研發(fā)更穩(wěn)定、適應(yīng)不同水下環(huán)境的測(cè)量設(shè)備和技術(shù)。

(2)多路徑效應(yīng):水下信號(hào)傳播存在多路徑效應(yīng),可能導(dǎo)致測(cè)量誤差和不穩(wěn)定性。需要改進(jìn)信號(hào)處理和濾波算法,減小多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響,提高測(cè)量精度和可靠性。

(3)測(cè)量設(shè)備的便攜性和可靠性:在水下地形測(cè)量中,需要便攜性好、耐用性強(qiáng)的測(cè)量設(shè)備。當(dāng)前的RTK和測(cè)深儀設(shè)備已經(jīng)有了一定的便攜性,但仍需要進(jìn)一步改進(jìn)以滿足復(fù)雜水下環(huán)境的要求。同時(shí),設(shè)備的可靠性也是關(guān)鍵因素,需要提高設(shè)備的穩(wěn)定性和抗干擾能力,以確保長(zhǎng)時(shí)間的水下測(cè)量工作的可靠性。

(4)數(shù)據(jù)處理與分析:水下地形測(cè)量所獲取的大量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效的處理和分析。在數(shù)據(jù)處理方面,需要開(kāi)發(fā)高效的算法和軟件工具,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確融合、地形模型的生成和可視化展示。此外,對(duì)于水下地形數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用,還需要進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)相關(guān)的方法和工具。

(5)數(shù)據(jù)精度和標(biāo)準(zhǔn)化:水下地形測(cè)量的精度要求較高,對(duì)于一些特定的水利工程和海洋研究應(yīng)用,可能需要更高精度的數(shù)據(jù)。因此,需要不斷提升測(cè)量設(shè)備的精度,并制定相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制規(guī)范,確保水下地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性。

5 結(jié)語(yǔ)

RTK結(jié)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn),我們可以期待更先進(jìn)、更可靠的測(cè)量設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法的出現(xiàn),進(jìn)一步提高水下地形測(cè)量的精度和效率,為水利工程、海洋研究等領(lǐng)域提供更可靠、更準(zhǔn)確的地形信息。