gps-rtk聯(lián)合測深儀在水下地形測量中的應(yīng)用

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

2、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞:GPS－RTK；測深儀；應(yīng)用；原理 </p><p>　　中圖分類號：S932.9+15 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： </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)具有測量速度快，精度高等特點，但是這種無驗潮模式下的測量方法還無相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以在與測探儀聯(lián)合應(yīng)用中，就要注意其工作的實際

3、情況，從而探究出其是否能滿足相關(guān)規(guī)范要求。本文通過無驗潮和傳統(tǒng)驗潮兩種模式下水下地形測量的原理和兩種模式下水深測量的數(shù)據(jù)進行分析，得出該技術(shù)在水下地形測量兩種測量模式中均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。 </p><p>　　1 水下地形測量的原理 </p><p>　　水下地形測量包括兩部分:定位和水深測量。就目前的水下地形測量的主流技術(shù)而言，定位采用的是RTK(Real－time kinemati

4、c)實時動態(tài)差分法，而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: </p><p>　　Gi=H－(D+ΔD) (1) </p><p>　　式中:Gi為水底點高程；H為水面高程；D為測量水深；ΔD為換能器的靜吃水。 </p><p>　　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

5、程可通過下式確定: </p><p>　　Gi=H－D－h(huán)－Δa (2) </p><p>　　式中:Gi為水底點高程；H為GPS相位中心的高程(通過RTK直接確定)；D為測量水深；h為GPS接收機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)合測深儀水下地形測量的基本作業(yè)步驟 </p><p&

6、gt;　　水下地形測量作業(yè)系統(tǒng)主要由GPS接收機、數(shù)字化測深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和便攜式計算機及相關(guān)軟件等組成。測量作業(yè)流程大體分三步來進行，即測前的準(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 測前的準(zhǔn)備 </p><p>　?。?） 布設(shè)GPS觀測網(wǎng) </p><p>　　GPS網(wǎng)形設(shè)計與控制點分布有關(guān), 為使整個網(wǎng)形的點位中誤差值能夠均勻, 觀

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

8、t;b>　?。?）求轉(zhuǎn)換參數(shù) </b></p><p>　　①在測區(qū)附近選擇4個已知控制點然后將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點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)(該點的單點WGS－84坐標(biāo))后設(shè)置為基準(zhǔn)站。 ②將GPS移動站分別架設(shè)在已知點B、C、D上進行聯(lián)測，同時設(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、測時間、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)測獲取該點的固定解(WGS－84坐標(biāo))。 ③通過A，B、C、D三點的WGS－84坐標(biāo)及當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，采用隨機提供的數(shù)據(jù)處理軟件進行基線解算與網(wǎng)平差從而求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。 </p><p><b>　　（3）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和測深儀的儀器型號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>　?。?）計劃線布設(shè) </b></p><p>　　布設(shè)計劃線一般是在作業(yè)前，用常用軟件AUTOCAD設(shè)計好計劃線，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)時架設(shè)在基準(zhǔn)點上，且坐標(biāo)不變。 </p><p>　　②將GPS接收機、數(shù)字化測深儀和便攜機等連接好后，打開電源。設(shè)置好記錄設(shè)置、定位儀和測深儀接口、接收機數(shù)據(jù)格式、測深儀配置、天線偏差改正及延遲校正后，就可以進行測量工作了，軟件

12、會自動按照指定方式采集和存儲數(shù)據(jù)，并在航行軌跡上留下采點標(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)處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行后期處理，形成所需要的測量成果(如水深圖及其統(tǒng)計分析報告等)，所有測量成果可以通過打印機或繪圖機輸

13、出。數(shù)據(jù)的后處理一般包括水深采集取樣處理、驗潮站數(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)驗潮站數(shù)據(jù)輸入 </p><p>　　輸入驗潮站的平面坐標(biāo)和

14、水位數(shù)據(jù)。需要注意的是驗潮站驗潮數(shù)據(jù)的時間段一定要包含采集數(shù)據(jù)的時間段。無驗潮模式下不進行此處理。 </p><p>　　3)數(shù)據(jù)的綜合改正與輸出 </p><p>　　數(shù)據(jù)的綜合改正包括測深儀改正、動態(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 工程實例 </b></p><p&

15、gt;　　以某測區(qū)工程為例，該測區(qū)水下地形測圖面積210km2，距岸邊最遠17km，東西海岸長35km。采用的儀器設(shè)備有南方靈銳S86型動態(tài)GPS，南方靈舟SDE－28型測深儀，以及美國Ashtech公司ADU5姿態(tài)測量儀等。 </p><p><b>　　3.1 項目實施 </b></p><p>　?。?）測區(qū)七參數(shù)的求取 </p><p>

16、;　　根據(jù)測區(qū)已有控制點情況，在測區(qū)附近布設(shè)滿足測圖使用的控制網(wǎng)，利用靜態(tài)GPS接收機采集數(shù)據(jù)并進行數(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的作用距離。因此，安置基準(zhǔn)站應(yīng)注意以下幾點: </p><p>　　①便于安置儀器設(shè)備和設(shè)備操作，視野開闊，視場內(nèi)障礙物的高度角不宜超過15

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

18、t;/p><p>　?。?）設(shè)置移動站、安置測深儀換能器 </p><p>　　在測船上固定好移動站，測深儀換能器安置在距測量船船首1/2船長處。在設(shè)置移動站時電臺頻率與基準(zhǔn)站發(fā)射頻率相同。 </p><p>　?。?）測深軟件的設(shè)置 </p><p>　　在水下地形測量中應(yīng)用的測深軟件是南方測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GPS－RTK接收天線中心和測深儀換能器中心進行偏心改正，以消除GPS－RTK同測深儀的定位中心偏差。 </p><p>　?。?）水尺和自記水位計的設(shè)立 </p><p>　　在測區(qū)附近岸邊設(shè)立水尺，在測區(qū)內(nèi)設(shè)置自記水位計，進行水位觀測，并對自記水位計和水尺進行水位比測。水尺零點也應(yīng)進行檢核。 </p><p><

20、;b>　　（6）內(nèi)業(yè)整理 </b></p><p>　　將測量數(shù)據(jù)進行后處理，處理時分兩種模式進行，一種是直接利用的GPS－RTK的高程值；一種是利用驗潮數(shù)據(jù)值。處理后均生成每條測線的DAT文件。 </p><p><b>　　3.2 數(shù)據(jù)比較 </b></p><p>　　為了驗證無驗潮模式下水下地形測量的高程精度，我們將兩

21、種模式下取得的數(shù)據(jù)，共計4662個水深點進行了對比，對比部分情況見表1。 </p><p>　　表1 水深點數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計表(單位:米) </p><p>　　根據(jù)4662個水深點數(shù)據(jù)，利用公式1計算出高程中誤差為±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)水位觀測誤差 </b></p><p>　　常規(guī)水深測量中，采用人工在水位驗潮點進行潮汐觀測。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)插的方法進行改正的。采用潮汐分帶進行改正，認(rèn)為在同

23、一分帶區(qū)潮位值是一樣的，實際卻并非如此，尤其在跨帶區(qū)附近誤差較大；采用線性內(nèi)插進行改正，一般多用于相對較長且潮位變化較大的測區(qū)。由于驗潮站獲得的水位數(shù)據(jù)是驗潮站附近瞬時水位的平均值，水流情況以及波浪的無規(guī)律性，使得測深點的潮位與該點實時實地的潮位存在一定差值。因此，根據(jù)驗潮站的水位數(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)浪引起測船縱、橫向傾及上下沉浮，從而影響水深點平面和水深兩方面的偏差。測船的縱、橫向傾對測量水深和平面位置的影響是比較大的。因此，在無驗潮模式下進行水深測量時，要對測船進行姿態(tài)改正。 </p><p><b>　　4 結(jié)束語 </b></p><p>　　本文所介紹的水下測量技術(shù)打破了傳統(tǒng)的水下地形測量方法，不僅減

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