gps-rtk聯(lián)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

1、<p>　　GPS-RTK聯(lián)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用</p><p>　　摘要:水下地形測(cè)量具有測(cè)量隱蔽、精度控制難度大等特點(diǎn)，因此，對(duì)其測(cè)量技術(shù)的要求較為嚴(yán)格。本文就介紹了GPS－RTK聯(lián)合測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用，闡述了利用GPS－RTK與測(cè)深技術(shù)測(cè)定水下地形的基本原理和水下地形測(cè)量的基本實(shí)施步驟，并通過結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施、數(shù)據(jù)比較等做了深入研究，為類似工作的應(yīng)用進(jìn)行提供參考。 &l

2、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞:GPS－RTK；測(cè)深儀；應(yīng)用；原理 </p><p>　　中圖分類號(hào)：S932.9+15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，GPS－RTK技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，雖然這種技術(shù)具有測(cè)量速度快，精度高等特點(diǎn)，但是這種無驗(yàn)潮模式下的測(cè)量方法還無相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以在與測(cè)探儀聯(lián)合應(yīng)用中，就要注意其工作的實(shí)際

3、情況，從而探究出其是否能滿足相關(guān)規(guī)范要求。本文通過無驗(yàn)潮和傳統(tǒng)驗(yàn)潮兩種模式下水下地形測(cè)量的原理和兩種模式下水深測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出該技術(shù)在水下地形測(cè)量?jī)煞N測(cè)量模式中均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。 </p><p>　　1 水下地形測(cè)量的原理 </p><p>　　水下地形測(cè)量包括兩部分:定位和水深測(cè)量。就目前的水下地形測(cè)量的主流技術(shù)而言，定位采用的是RTK(Real－time kinemati

4、c)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法，而水深測(cè)量采用的是回聲測(cè)深儀的方法。這樣就可以確定水底點(diǎn)的高程: </p><p>　　Gi=H－(D+ΔD) (1) </p><p>　　式中:Gi為水底點(diǎn)高程；H為水面高程；D為測(cè)量水深；ΔD為換能器的靜吃水。 </p><p>　　在觀測(cè)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(shí)嚴(yán)格考慮船姿的影響，無驗(yàn)潮模式下的水底點(diǎn)高

5、程可通過下式確定: </p><p>　　Gi=H－D－h(huán)－Δa (2) </p><p>　　式中:Gi為水底點(diǎn)高程；H為GPS相位中心的高程(通過RTK直接確定)；D為測(cè)量水深；h為GPS接收機(jī)天線相位中心距換能器面的垂距；Δa為姿態(tài)引起的深度改正。 </p><p>　　2GPS-RTK聯(lián)合測(cè)深儀水下地形測(cè)量的基本作業(yè)步驟 </p><p&

6、gt;　　水下地形測(cè)量作業(yè)系統(tǒng)主要由GPS接收機(jī)、數(shù)字化測(cè)深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和便攜式計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件等組成。測(cè)量作業(yè)流程大體分三步來進(jìn)行，即測(cè)前的準(zhǔn)備、外業(yè)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的后處理。 </p><p>　　2.1 測(cè)前的準(zhǔn)備 </p><p>　?。?） 布設(shè)GPS觀測(cè)網(wǎng) </p><p>　　GPS網(wǎng)形設(shè)計(jì)與控制點(diǎn)分布有關(guān), 為使整個(gè)網(wǎng)形的點(diǎn)位中誤差值能夠均勻, 觀

7、測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)形最好能依控制點(diǎn)分布設(shè)計(jì)。測(cè)區(qū)平面控制點(diǎn)分布: 觀測(cè)網(wǎng)測(cè)區(qū)內(nèi)最好有至少3個(gè)已知控制點(diǎn)分布在測(cè)區(qū)外圍的4個(gè)象限, 若已知控制點(diǎn)位于測(cè)區(qū)外面, 則測(cè)區(qū)外緣與該已知點(diǎn)的距離最好不要超過20 km; 測(cè)區(qū)高程控制點(diǎn)分布: 監(jiān)測(cè)網(wǎng)網(wǎng)狀測(cè)區(qū)內(nèi)在每10 ×10( km )范圍內(nèi)需有4個(gè)已知水平點(diǎn)作為控制點(diǎn), 且分布于測(cè)區(qū)周圍; 線狀測(cè)區(qū)內(nèi)最好有至少4個(gè)已知控制點(diǎn)分布在測(cè)區(qū)之兩端及中央。 </p><p>&l

8、t;b>　?。?）求轉(zhuǎn)換參數(shù) </b></p><p>　?、僭跍y(cè)區(qū)附近選擇4個(gè)已知控制點(diǎn)然后將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)A上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、發(fā)射間隔及最大衛(wèi)星使用數(shù)，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)，輸入基準(zhǔn)站坐標(biāo)(該點(diǎn)的單點(diǎn)WGS－84坐標(biāo))后設(shè)置為基準(zhǔn)站。 ②將GPS移動(dòng)站分別架設(shè)在已知點(diǎn)B、C、D上進(jìn)行聯(lián)測(cè)，同時(shí)設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、接收間隔、觀

9、測(cè)時(shí)間、衛(wèi)星截止高度角、PDOP值等，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)后，通過聯(lián)測(cè)獲取該點(diǎn)的固定解(WGS－84坐標(biāo))。 ③通過A，B、C、D三點(diǎn)的WGS－84坐標(biāo)及當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，采用隨機(jī)提供的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線解算與網(wǎng)平差從而求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。 </p><p><b>　?。?）創(chuàng)建工程 </b></p><p>　　根據(jù)工程向?qū)гO(shè)置好工程基本信息(包括工程名稱、施工日期、工程負(fù)責(zé)

10、人等)、投影參數(shù)、轉(zhuǎn)換參數(shù)、GPS－RTK和測(cè)深儀的儀器型號(hào)連接端口配置以及數(shù)據(jù)采集條件和記錄數(shù)據(jù)文件名稱等。 </p><p><b>　　（4）計(jì)劃線布設(shè) </b></p><p>　　布設(shè)計(jì)劃線一般是在作業(yè)前，用常用軟件AUTOCAD設(shè)計(jì)好計(jì)劃線，生成*.dxf文件，直接導(dǎo)入程序里邊。布線結(jié)果如圖1所示。 </p><p><b&g

11、t;　　圖1 布線結(jié)果圖 </b></p><p>　　2.2 外業(yè)的數(shù)據(jù)采集 </p><p>　　①架設(shè)基準(zhǔn)站在求轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)架設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)上，且坐標(biāo)不變。 </p><p>　?、趯PS接收機(jī)、數(shù)字化測(cè)深儀和便攜機(jī)等連接好后，打開電源。設(shè)置好記錄設(shè)置、定位儀和測(cè)深儀接口、接收機(jī)數(shù)據(jù)格式、測(cè)深儀配置、天線偏差改正及延遲校正后，就可以進(jìn)行測(cè)量工作了，軟件

12、會(huì)自動(dòng)按照指定方式采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并在航行軌跡上留下采點(diǎn)標(biāo)志，如圖2所示。 </p><p><b>　　圖2 航跡圖 </b></p><p>　　2.3 數(shù)據(jù)的后處理 </p><p>　　數(shù)據(jù)后處理是指利用相應(yīng)配套的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，形成所需要的測(cè)量成果(如水深圖及其統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告等)，所有測(cè)量成果可以通過打印機(jī)或繪圖機(jī)輸

13、出。數(shù)據(jù)的后處理一般包括水深采集取樣處理、驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)的綜合改正等內(nèi)容。 </p><p>　　1)水深采集取樣處理 </p><p>　　采集水深取樣的目的是:①修改有問題的原始測(cè)量水深值。②按設(shè)定的取樣方式和取樣間隔，取出需要的坐標(biāo)和水深數(shù)據(jù)。 </p><p>　　2)驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)輸入 </p><p>　　輸入驗(yàn)潮站的平面坐標(biāo)和

14、水位數(shù)據(jù)。需要注意的是驗(yàn)潮站驗(yàn)潮數(shù)據(jù)的時(shí)間段一定要包含采集數(shù)據(jù)的時(shí)間段。無驗(yàn)潮模式下不進(jìn)行此處理。 </p><p>　　3)數(shù)據(jù)的綜合改正與輸出 </p><p>　　數(shù)據(jù)的綜合改正包括測(cè)深儀改正、動(dòng)態(tài)吃水改正、坐標(biāo)系統(tǒng)誤差改正、水深系統(tǒng)誤差改正等內(nèi)容。 </p><p><b>　　3 工程實(shí)例 </b></p><p&

15、gt;　　以某測(cè)區(qū)工程為例，該測(cè)區(qū)水下地形測(cè)圖面積210km2，距岸邊最遠(yuǎn)17km，東西海岸長(zhǎng)35km。采用的儀器設(shè)備有南方靈銳S86型動(dòng)態(tài)GPS，南方靈舟SDE－28型測(cè)深儀，以及美國(guó)Ashtech公司ADU5姿態(tài)測(cè)量?jī)x等。 </p><p><b>　　3.1 項(xiàng)目實(shí)施 </b></p><p>　?。?）測(cè)區(qū)七參數(shù)的求取 </p><p>

16、;　　根據(jù)測(cè)區(qū)已有控制點(diǎn)情況，在測(cè)區(qū)附近布設(shè)滿足測(cè)圖使用的控制網(wǎng)，利用靜態(tài)GPS接收機(jī)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，從而求取七參數(shù)。 </p><p>　?。?）基準(zhǔn)站的選定和建立 </p><p>　　基準(zhǔn)站的選定直接影響電臺(tái)的作用距離。因此，安置基準(zhǔn)站應(yīng)注意以下幾點(diǎn): </p><p>　?、俦阌诎仓脙x器設(shè)備和設(shè)備操作，視野開闊，視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不宜超過15

17、76;。 </p><p>　　②遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等)，其距離不小于200m；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電信號(hào)傳送通道，其距離不應(yīng)小于50m。 </p><p>　?、鄹浇粦?yīng)有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號(hào)的物體(如大型建筑物等)。 </p><p>　?、茈娕_(tái)發(fā)射天線必須具有一定的高度。在實(shí)際測(cè)試中，GPS－RTK作用距離能達(dá)到20km以上。 &l

18、t;/p><p>　　（3）設(shè)置移動(dòng)站、安置測(cè)深儀換能器 </p><p>　　在測(cè)船上固定好移動(dòng)站，測(cè)深儀換能器安置在距測(cè)量船船首1/2船長(zhǎng)處。在設(shè)置移動(dòng)站時(shí)電臺(tái)頻率與基準(zhǔn)站發(fā)射頻率相同。 </p><p>　　（4）測(cè)深軟件的設(shè)置 </p><p>　　在水下地形測(cè)量中應(yīng)用的測(cè)深軟件是南方測(cè)繪儀器公司的水上工程－自由行軟件。在該軟件中可以直接

19、輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)(七參數(shù)、四參數(shù)和校正參數(shù))，并對(duì)GPS－RTK接收天線中心和測(cè)深儀換能器中心進(jìn)行偏心改正，以消除GPS－RTK同測(cè)深儀的定位中心偏差。 </p><p>　?。?）水尺和自記水位計(jì)的設(shè)立 </p><p>　　在測(cè)區(qū)附近岸邊設(shè)立水尺，在測(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置自記水位計(jì)，進(jìn)行水位觀測(cè)，并對(duì)自記水位計(jì)和水尺進(jìn)行水位比測(cè)。水尺零點(diǎn)也應(yīng)進(jìn)行檢核。 </p><p><

20、;b>　?。?）內(nèi)業(yè)整理 </b></p><p>　　將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，處理時(shí)分兩種模式進(jìn)行，一種是直接利用的GPS－RTK的高程值；一種是利用驗(yàn)潮數(shù)據(jù)值。處理后均生成每條測(cè)線的DAT文件。 </p><p><b>　　3.2 數(shù)據(jù)比較 </b></p><p>　　為了驗(yàn)證無驗(yàn)潮模式下水下地形測(cè)量的高程精度，我們將兩

21、種模式下取得的數(shù)據(jù)，共計(jì)4662個(gè)水深點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比部分情況見表1。 </p><p>　　表1 水深點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)表(單位:米) </p><p>　　根據(jù)4662個(gè)水深點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用公式1計(jì)算出高程中誤差為±7.8cm。 </p><p>　　高程中誤差 (1) </p><p><b>　　3.3 誤差分析 <

22、;/b></p><p>　　通過上述作業(yè)方案和水深數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)論，分析認(rèn)為該誤差主要由兩種原因造成。 </p><p><b>　　1)水位觀測(cè)誤差 </b></p><p>　　常規(guī)水深測(cè)量中，采用人工在水位驗(yàn)潮點(diǎn)進(jìn)行潮汐觀測(cè)。潮位改正是后處理中按潮波均勻傳播的原理，采用潮汐分帶或線性內(nèi)插的方法進(jìn)行改正的。采用潮汐分帶進(jìn)行改正，認(rèn)為在同

23、一分帶區(qū)潮位值是一樣的，實(shí)際卻并非如此，尤其在跨帶區(qū)附近誤差較大；采用線性內(nèi)插進(jìn)行改正，一般多用于相對(duì)較長(zhǎng)且潮位變化較大的測(cè)區(qū)。由于驗(yàn)潮站獲得的水位數(shù)據(jù)是驗(yàn)潮站附近瞬時(shí)水位的平均值，水流情況以及波浪的無規(guī)律性，使得測(cè)深點(diǎn)的潮位與該點(diǎn)實(shí)時(shí)實(shí)地的潮位存在一定差值。因此，根據(jù)驗(yàn)潮站的水位數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)求得的水下高程還是存在一定誤差的。 </p><p><b>　　2)波浪效應(yīng) </b></

24、p><p>　　波浪效應(yīng)是指由于風(fēng)浪引起測(cè)船縱、橫向傾及上下沉浮，從而影響水深點(diǎn)平面和水深兩方面的偏差。測(cè)船的縱、橫向傾對(duì)測(cè)量水深和平面位置的影響是比較大的。因此，在無驗(yàn)潮模式下進(jìn)行水深測(cè)量時(shí)，要對(duì)測(cè)船進(jìn)行姿態(tài)改正。 </p><p><b>　　4 結(jié)束語 </b></p><p>　　本文所介紹的水下測(cè)量技術(shù)打破了傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法，不僅減

25、少了外界因素對(duì)作業(yè)過程的過多干擾，而且降低外業(yè)數(shù)據(jù)采集的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，提高了作業(yè)效率，更重要的是大幅提高了測(cè)量點(diǎn)位的精度，使得水下地形測(cè)量這項(xiàng)工程變得簡(jiǎn)單、方便、快捷、輕松、高效、經(jīng)濟(jì)，可以全天候的實(shí)施測(cè)量工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，筆者相信該技術(shù)將會(huì)更加完善，可以在包括水下地形測(cè)量在內(nèi)的各種工程項(xiàng)目中得到更好地應(yīng)用。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p>