GPS在水下地形測量應(yīng)用綜述

1、作者:日期:GPS&水下地形測量應(yīng)用綜述侯淑芬510642)摘要：GPSS位具有速度快、精度高、實(shí)時性等特點(diǎn)，使水位觀測和水下地形點(diǎn)高程的測量變得可靠、簡便易行。許多水下地形測量已采用GPSRTK 的模式。本文綜合介紹利用GP城行水下地形測量的原理，誤差來源與改正，以及其在水庫測量、水下淤積測量、航道測量、海洋工程中的具體應(yīng)用 .關(guān)鍵詞：GPS, RTK水下地形1、引言在水利工程中，水下地形測繪具有重要的意義.近幾年來，隨著GP戴波相 位差分技術(shù)(RTK)的發(fā)展，GPS技術(shù)越來越成熟,已被廣泛應(yīng)用到數(shù)字化測 圖中 . 有時候水利工程建設(shè)初期， 由于所處測區(qū)多為山地， 通視困難 , 地形復(fù) 雜給

2、傳統(tǒng)野外測繪工作帶來了一定的困難.利用動態(tài)GPS1位技術(shù)白優(yōu)越性，測 圖速度快和精度高 , 能消除累積誤差， 操作簡便 , 用人少等優(yōu)勢取代了原有的平板儀測圖及全站儀測圖。工作效率和經(jīng)濟(jì)效益明顯得到大幅度提高。2 、概述1 水下地形測量現(xiàn)狀水下地形測量, 就是利用測量儀器確定水底點(diǎn)的三維坐標(biāo)的過程， 主要工作包括平面定位和水深測。目前水下測量技術(shù)有如下幾種 :) 光學(xué)定位法， 即光學(xué)經(jīng)緯儀配合測深儀法。這種方法由于地球曲率、通視及測站條件的限制難以滿足需要, 且精度低， 并同時要進(jìn)行水位測量。地面無線電定位技術(shù)配合測深儀法。這種方法設(shè)備簡單， 定位迅速 , 精度可靠， 但仍需進(jìn)行水位測量。采用

3、測量機(jī)器人+雙頻數(shù)字測深儀，極坐標(biāo)法自動化測量模式.GPS技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用.這種方法不提高了精度，加快了作業(yè) 速度 , 可保證全天候作業(yè).隨著全球定位系統(tǒng)GPSJ術(shù)的飛躍發(fā)展，水下地形測量技術(shù)已基本定型于采 用GP猷取平面坐標(biāo)，測深儀獲取深度數(shù)據(jù)的基本模式1,o2。2GPSE述差分GPS(DGBS是最近幾年發(fā)展起來的一種新的測量方法.實(shí)時動態(tài)(Real Time Kinematic )簡稱RTK測量技術(shù)。實(shí)時動態(tài)測量的基本思想是，在基準(zhǔn)站 上安置一臺GPSg收機(jī),對所有可見GPSS星進(jìn)行連續(xù)地觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)， 通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時地發(fā)送給用戶觀測站.在流動站上，GPSg收機(jī)

4、在接收GPSS星信號的同時，通過無線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理，實(shí)時地計(jì)算并顯示流動站的三維坐標(biāo)及其精度【2】 。優(yōu)點(diǎn)1)測站之間無需通視，測站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。2)定位精度高。在小于50km的基線上具相對定位精度可達(dá)12X10- 6,而 在100km 500km的基線上可達(dá)10- 610 7。3) 觀測時間短全天候作業(yè). 在小于 20km 的短基線上， 快速相對定位一般只需 5min 觀測時間即可。4)提供三維坐標(biāo)。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時.可以精確 測定觀測站的大地高程。5)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高衛(wèi)

5、星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成【 3】 。2.3測深儀的基本原理測深儀是利用聲波反射的信息測量水深的儀器. 回聲測深儀的工作原理是利用換能器在水中發(fā)出聲波， 當(dāng)聲波遇到障礙物而反射回?fù)Q能器時， 根據(jù)聲波往返的時間和所測水域中聲波傳播的速度， 就可以求得障礙物與換能器之間的距離。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波， 從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 t ， 然后求出距D=Ct/2 ， 式中的 C 為超聲波波速. 在使用時 , 如果溫度變化不大， 則可認(rèn)為聲速是基本不變的。 如果測距精度要求很高， 則應(yīng) 通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?. 聲速確定后， 只要測得超聲波往返的

6、時間， 即 可求得距離. 這就是超聲波測距儀的機(jī)理【 3】 .3、GPS1位用于水下地形測量1工作原理將GP就動站的天線與測深儀的換能器安置在同一平面位置，同時布置在一條小船上， 保證RTK勺數(shù)據(jù)與測深儀數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)絇C,作業(yè)時流動站根據(jù)基 準(zhǔn)站通過電臺發(fā)送的改正數(shù)實(shí)時改正自身的測量值， 獲得點(diǎn)位的厘米級精度的平面坐標(biāo)并實(shí)時傳送到PC,同時數(shù)字測深儀獲取該平面位置處的水深數(shù)據(jù)發(fā)送到PG PC根據(jù)觀測的水面高程計(jì)算出該平面位置處水下點(diǎn)的高程坐標(biāo)，與 RTK獲得的平面坐標(biāo)一起組成水下點(diǎn)的三維坐標(biāo)。然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字成圖軟件就可以編輯生成需要的水下地形圖【4】換能器 流動站3.2作業(yè)方法水下地形測

7、量的作業(yè)系統(tǒng)主要由 GPS接收機(jī)、數(shù)字化測深儀及相關(guān)軟件等組 成。測量作業(yè)分三步來進(jìn)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。 1）測量前準(zhǔn)備工作收集與所測航道有關(guān)的地圖，準(zhǔn)備必要的工具、繩索、吊具用來綁扎固定測深桿。 測量船駕駛員要選擇熟悉航道的有豐富經(jīng)驗(yàn)的船長.另外，要及時觀測水尺或與 水文站聯(lián)系以獲取測量時水位資料.2）求解GPS轉(zhuǎn)換參數(shù)，架設(shè)好基準(zhǔn)站， 并檢驗(yàn)正確性.將測深儀探頭固定在 船上，并將GPS接收機(jī)、測深儀和筆記本電腦連接好，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(jī)數(shù)據(jù)格式、測深儀配置、天線偏差改正及 延遲改正.3）水下地形施測。開動測量船，在計(jì)算機(jī)顯示屏和

8、外接顯示器上顯示出測船的 示意圖像、測船的實(shí)時動態(tài)點(diǎn)位及水深數(shù)據(jù)4）由軟件完成展點(diǎn)、等深線生成、等深線注記等工作，保存圖形，并以任意需要的比例輸出圖形。4、誤差來源與數(shù)據(jù)處理4.1誤差來源水下地形測量的精度包括平面的定位精度和水下地形點(diǎn)的高程測量精度。 不 考慮起始點(diǎn)誤差的影響 , 測量精度主要取決于以下 3 個方面。 1） 高程轉(zhuǎn)換精度2）測量精度3）其他因素的影響：船體的搖擺、采樣速率、同步時差及 RTK高程的 可靠性等因素造成的誤差的影響，這些誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RTK定位誤差。2 數(shù)據(jù)處理 1） 船體搖擺姿態(tài)的修正船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進(jìn)行修正 , 修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸

9、出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)， 通過專用的測量軟件接入進(jìn)行修 正。2）采樣速率和延遲造成的誤差定位數(shù)據(jù)的定位時刻和水深數(shù)據(jù)的測量時刻的時間差造成定位延遲。 對于這 項(xiàng)誤差可以在延遲校正中加以修正， 修正量可在斜坡上往返測量結(jié)果計(jì)算得到 , 也可以采用以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)6 。3） RTK高程可靠性的問題RTK高程用于測量水深，其可信度問題是倍受關(guān)注的問題。在選擇設(shè)備時 ， 應(yīng)盡量選擇大量程、 高靈敏度的測深儀。 此在實(shí)際測量工作中應(yīng)視任務(wù)性質(zhì)的不 同而采用不同的測深設(shè)備為了確保作業(yè)無誤, 可從采集的數(shù)據(jù)中提取高程信息繪制水位曲線（ 由專用軟件自動完成） . 根據(jù)曲線的圓滑程度來分析RT K 高程有沒

10、有產(chǎn)生個別跳點(diǎn)， 然后使用圓滑修正的方法來改善個別錯誤的點(diǎn)。5、具體應(yīng)用水庫地形測量李建平將各輻射的控制點(diǎn)作為GPSS準(zhǔn)點(diǎn)，移動臺放置在快艇上開啟計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能（ 計(jì)劃線） ，設(shè)定取點(diǎn)間距，可按時間間隔取點(diǎn)，也可按距離間距間隔取點(diǎn)，隨艇測繪人員可調(diào)整快艇行使方向 , 并沿某一網(wǎng)格線和一定的船速行駛，按設(shè)定的間距自動采點(diǎn)、記錄.當(dāng)顯示距離距基準(zhǔn)站距離接近 5km時，應(yīng)按網(wǎng)格問 距換人相臨航線, 并沿該航線返回【 7】 。沈誠學(xué)認(rèn)為2臺雙頻動態(tài)GPS接收機(jī)，1臺設(shè)于陸地的基準(zhǔn)站上，另1臺 設(shè)在測量船上作為流動站?；鶞?zhǔn)站大致設(shè)在測區(qū)的中央，GPS流動站與基準(zhǔn)站的 最大距離控制在5 km 以內(nèi)。測量船

11、自上游向下游逐條斷面測量。操舟者聽從岸上人員的指揮將船動力滯留在擬測量的斷面方向 , 測量船上測深儀讀數(shù)時刻必須與流動站測量手簿記錄同步， 通過對講機(jī)傳報， 由岸上人員記錄測深儀測深讀數(shù)和對應(yīng)的流動站測量點(diǎn)序號【 8】 .趙學(xué)民認(rèn)為基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)天線應(yīng)設(shè)置在規(guī)劃好的己知坐標(biāo)點(diǎn)上,移動站根據(jù)任務(wù)不同所采用的配置不同， 操作也不同。陸地測量包括地形測量、斷面測量， 操作也略有不同。地形測量可以根據(jù)地形情況, 采用固定時間間隔采集數(shù)據(jù)， 也可以采用走停式測量方式， 斷面測量增加斷面導(dǎo)航功能， 使測量員沿?cái)嗝婢€測量。在測量某一條斷面線時, 調(diào)用已經(jīng)設(shè)置好的該斷面端點(diǎn)信息，在控制器上形成一條斷面導(dǎo)航

12、線, 測量員可以沿線作定時間步長動態(tài)或走停式測量。控制器上可以顯示偏離斷面線的距離誤差、測量點(diǎn)坐標(biāo)和誤差值【 9】 .2 淤積測量目前大部分水庫對水庫淤積情況不了解， 淤積量、 淤積分布規(guī)律沒有系統(tǒng)準(zhǔn)確的資料，影響了水庫效益的發(fā)揮。王毅認(rèn)為可以利用雙頻回聲測距儀進(jìn)行水下淤泥厚度測量. 用高頻通道探測較淺的界面, 用低頻通道探測較深的界面。水下地形施測采用橫斷面法 , 斷面方向大致與水邊線垂直. 斷面間距符合規(guī)范要求, 斷面基點(diǎn)按測站精度施測。 采用測深點(diǎn)粗差剔除軟件（Cosa_ sxdxcc） 用斷面法和圓域搜索法相結(jié)合的綜合方法剔除測線上的異常點(diǎn)和粗差點(diǎn) . 依據(jù)淤泥表面及淤泥底面的觀測數(shù)據(jù)

13、, 可以構(gòu)造出淤泥表面和底面的 TIN 模型 , 淤泥表面和底面之間的體積即為淤泥量【10】。蔣志文等認(rèn)為可采用 GPS-SD改術(shù)應(yīng)用于水庫庫容測量和淤積形態(tài)的分析模擬，水下地形施沿庫區(qū)采用“區(qū)域布設(shè)法 布設(shè)好測線，按照水下地形測量規(guī)范， 布設(shè)一系列間距為 20m 平行測線 , 沿測線方向的測點(diǎn)密度為5m， 庫尾及近壩、近岸區(qū)域 , 測線、 測點(diǎn)密度加密。 將船速定為 3。 0m/s 左右， 可保證測量精度【11】。劉永川等認(rèn)為測線測量可用GPS的GO AND STOP態(tài)測方法定位，回聲測深儀測量水深確定水庫庫底點(diǎn)的坐標(biāo)。 選擇一靠近待測測線的固定站安置固定接收機(jī)，在距其5m 左右選擇一交換天

14、線點(diǎn)安置流動接收機(jī). 沿航線方向每隔一定的距離（如100m）或者根據(jù)水深的變化選擇測量點(diǎn)每個點(diǎn)上停船3060s,接收機(jī)記錄 2-4 個歷元數(shù)據(jù)， 同時記錄水深數(shù)據(jù)。到達(dá)對岸時 , 在已有的固定點(diǎn)上安置流動接收機(jī)，記錄幾個歷元數(shù)據(jù)。此方法即使在4 5 級風(fēng)的情況下，也能取得良好的結(jié)果【12】。3 航道測量路武生認(rèn)為測量航道用差分解，需要2臺GPS衛(wèi)星信號接收機(jī)，分別設(shè)置為 基準(zhǔn)站和流動站。如不設(shè)基準(zhǔn)站，只需1臺流動GPS8收衛(wèi)星信號進(jìn)行自主解記 錄。測量船沿航道中心線行駛, 速度小于 10km/h, 縱斷面與橫斷面點(diǎn)間距據(jù)需要設(shè)置，一般縱斷面設(shè)置為隔20m或30m記錄一點(diǎn)，橫斷面設(shè)置為2m- 5

15、m,遇到船 閘、高壓電線、橋梁、碼頭等臨跨河建筑物或地理位置時 ，在GPS天線靠近或到 達(dá)其下方時, 記錄下點(diǎn)號，并用相應(yīng)符號（圖例）在電腦屏幕顯示的航跡圖上的正確位置予以標(biāo)記. 用外業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行水深編輯、水位改正、導(dǎo)出水深點(diǎn)和航道標(biāo)志、 計(jì)劃線、 航道注記等操作后進(jìn)入內(nèi)業(yè)編輯。 運(yùn)用內(nèi)業(yè)軟件引入航跡線、水深點(diǎn)、航道標(biāo)志、航道注記等【13】。程偉認(rèn)為湖區(qū)航道工程利用差分GPS進(jìn)行施工定位，首先在某一已知坐標(biāo)點(diǎn)上設(shè)立基準(zhǔn)站, 然后在各施工船舶上設(shè)立移動站。結(jié)合以往的水上測量經(jīng)驗(yàn)，在航道帶狀測區(qū)兩邊設(shè)置活動導(dǎo)向標(biāo)志, 租用當(dāng)?shù)匦O船作為導(dǎo)向標(biāo)志， 導(dǎo)向標(biāo)志利用GPS定位在實(shí)測斷面的兩端I14,

16、o未過水的灘區(qū)張留柱等認(rèn)為淺水區(qū)和嫩灘區(qū)可用氣墊船測量河道地形點(diǎn)，可用便攜GPSM量。通過計(jì)算機(jī)預(yù)先規(guī)劃測量線，當(dāng)測船達(dá)到測量線，計(jì)算機(jī)自動記錄， 或向計(jì)算機(jī)輸入斷面兩端點(diǎn)坐標(biāo) , 顯示斷面線， 駕駛員無須觀察岸上任何斷面標(biāo)志即可控制測船沿?cái)嗝婧叫? 為了提高地形點(diǎn)的測量精度, 可預(yù)置平面和高程精度指標(biāo)后在要采集的地形點(diǎn)上停留數(shù)秒， 當(dāng)達(dá)到設(shè)定的點(diǎn)位精度指標(biāo)后儀器自動采集數(shù)據(jù)。 氣墊船可以 40km/h 速度在斷面上航行, 便攜站在斷面上測量速度基本等于行人沿?cái)嗝鏋﹨^(qū)行走的速度, 測量船以 15km/h 左右的速度行駛， 。利用系統(tǒng)的機(jī)動性, 可以很方便地增加臨時斷面, 以滿足不同測量精度情從

17、而極大地提高了況下對斷面密度的要求。不必再借用斷面或用目估法測量，斷面測量成果的精度【15】。5.4 海洋工程隨著人類對地球科學(xué)研究的不斷發(fā)展， 對海洋的研究也越來越深入， 大面積的海圖測繪、 深海水下地形測量、 近岸淺海地區(qū)海底灘涂測繪等工程項(xiàng)目也越來越多。GPS&測量領(lǐng)用，更為海洋測繪開拓了新途徑。謝榮安認(rèn)為對于近海海域， 采用在岸上或島嶼上設(shè)立基準(zhǔn)站， 采用動態(tài)相對定位技術(shù)進(jìn)行高精度海上定位.在船上安裝差分 GPS接收機(jī)和測深儀.測量船按 預(yù)定航線利用差分 GPS導(dǎo)航和定位，測深儀按一定距離或一定時間按照事先設(shè) 定自動向海底發(fā)射超聲波并接收海底反射波，同時記錄GPS定位結(jié)果和測深數(shù)據(jù) 【

18、16】。顧斌認(rèn)為海道測量是進(jìn)行水下地形圖測繪的基礎(chǔ), 可以通過海底控制測量來測定海底控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)或平面坐標(biāo)。由于GPS可以快速、高精度的對目標(biāo)物進(jìn)行定位，可以對水深儀器進(jìn)行單點(diǎn)定位，但其精度只有幾十米, 只能作為遠(yuǎn)海小比例尺海底地形測繪的控制；對于較大比例尺測圖，可應(yīng)用差分GPS技術(shù)進(jìn)行相對定位【17】。許文彬認(rèn)為鉆探孔位海拔高程的確定測量中待測控制點(diǎn)的布設(shè)采用 RTK 靜 態(tài)測量的方式，與測區(qū)內(nèi)已知GPS5等級控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測而獲得。首先在已有控 制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，在船上裝配RTK流動站和測深儀，在布孔船只到達(dá)預(yù)設(shè)孔位 時 , 采集該點(diǎn)三維坐標(biāo)和水深值, 并根據(jù)實(shí)際海況， 利用船體姿態(tài)改正

19、儀記錄船體瞬時搖擺角求得實(shí)際孔位標(biāo)高。通過RTK得到實(shí)時的潮位，利用相應(yīng)軟件將實(shí) 時的潮位改正加入到接收的數(shù)據(jù)中 , 再加入涌浪改正 , 就可以直接利用繪圖軟 件生成工作區(qū)鉆孔布設(shè)圖等圖形文件【18】 .6、結(jié)語GP孩術(shù)的應(yīng)用是無可限量的，與測深儀結(jié)合的方法，已經(jīng)在海上及大型河流的水下地形測量中得到應(yīng)用，與傳統(tǒng)的測量方式相比， 具有較大的優(yōu)勢，特別是在面積較大， 水下地形復(fù)雜, 水深較大的水域， 水下地形測量簡單、 方便、快速、高效、可以全天候作業(yè)、同時大大提高了水深的測量精度。隨著天然氣和石油長輸管道工程的大型、 特大型河流穿越的出現(xiàn), 其在石油、 天然氣工程中也將得到廣泛的應(yīng)用。但受GPS

20、衛(wèi)星信號的影響，目前利用GPSRTKE合測深儀進(jìn)行水下地形測量還有一定的局限性， 在遮擋嚴(yán)重的地區(qū)如陡峭的峽谷、河道等地方還不能完全取代傳統(tǒng)的測量方法， 還必須結(jié)合全站儀進(jìn)行測量。 但隨著 GPSRTK技術(shù)的不斷發(fā)展,利用GPS RTKB己合測深儀進(jìn)行水下地形測量將有更加廣 闊的前景。參考文獻(xiàn)1楊飛，馬耀昌.GPS在水下地形測量中的應(yīng)用研究J。地理空間信息，2006, 4（ 3） : 20 22。2許斌鋒，武曉龍，姚煥炯，徐愛霞.GPSRT畋術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用研究 J 。 科技創(chuàng)新導(dǎo)報, 2010 ，（ 9） ： 12 13.3.劉忠強(qiáng)，楊清臣。GPSRTK合測深儀在水下地形測量中的應(yīng)用J。吉 林水利 , 2010 ， （11） : 41 43。4楊麗坤，李海軍RTKK術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用J .技術(shù)在線，2009, （ 20 ）： 49 50.5黃勤，石銀濤。GPSffi測深儀組合系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用J.山東交通學(xué)院學(xué)報, 2008 ， 16（3 ）： 64-67.6肖國磊，朱偉榮。RT