GPS—RTK技术在水下地形测量中的应用

曾　嘉

摘要：文章结合实例介绍了采用GPS RTK技术与数字测深仪组合的方法对水下地形进行测量的工作原理及外业数据的采集过程，从实践中总结出GPSRTK技术给水下地形测量带来了巨大的技术变革，不仅提高了测量精度，而且提高了效率和成本。为水下地形测量开辟了新天地。

关键词：GPS-RTK；数字测深仪；水下地形测量；数据采集；基准站

中图分类号：P228

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)17-0051-02

一、概述

在水下地形测量上，传统的方法是采用全站仪结合测深仪进行测量，即在岸上架设全站仪，在船体上固定反光棱镜，通过全站仪测量即时点位坐标，船上作业员同一时间记录测深仪中所测水深值，内业处理时再将两份数据统一。随着GPS技术的兴起和发展，打破了这一传统方法，采用GPS-RTK结合数字测深仪的方法进行，即采用GPS-RTK技术获得测点点位坐标，数字测深仪获得水深值，通过软件实时同步的记录点位坐标和水深值，再根据实测值进行数据处理和地形图的绘制。

在长江三峡水利枢纽右岸三期下游围堰拆除工程中，就采用了这一方法进行水下地形测量。GPS采用的是南方灵锐s82GPS-RTK测量系统；数字测深仪采用的是无锡海鹰公司的HY1700型测深仪；软件为南方海洋自由行测量导航软件。作业过程即通过导航软件实时同步的自动记录平面点位及其水济值并存储到相应文件中，进行数据的预处理后再利用成图软件自动建模并生成数字化地形图。

二、GPS—RTK工作原理

RTK(RealTimeKinematic)实时动态测量技术，是以载波相位观测为根据的实时差分GPS(RTDGPS)技术，它是测量技才发展里程中的一个突破，它由基准站接收机、数据链、流动站接收机三部分组成。基准站实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用无线电传送给运动中的流动站，流动站通过无线电接收基准站发射的信息，将载波相位观测值实时进行差分处理，得到基准站和流动站坐标差△X、△Y、△H。坐标差加上基准站坐标得到每个点的WGS-84坐标，通过坐标转换参数转换得出流动站每个点的平面坐标x、Y和海拔高H其精度可达cm。如图1所示：

在水下地形测量时，基准站一般架设在固定的高等级控制点上，而移动站则与测深仪的换能器一同固定在船体上。

三、三峡三期下游围堰拆除工程中GPS-RTK水下地形测量

(一)准备工作

1、收集测区控制网成果，包括控制点的坐标，等级，中央子午线等参数。同时明确测图区域及测图比例，将测图范围输入笔记本电脑，选择合适图幅，建立导航图。

2、求定测区坐标转换参数。因为三峡工程采用的是独立大坝坐标系，而RTK得出的坐标为WGS-84坐标，所以必须计算出两个坐标系的转换参数。根据转换参数将WGS-84坐标转换为三峡大坝坐标系。方法是：(1)将GPS基准站架设在已知点A上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数，关闭转换参数和7参数，输入基准站坐标(该点的单点84坐标)后设置为基准站；(2)将GPS移动站架设在已知点B上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、接收间隔，关闭转换参数和7参数后，求得该点的固定解(84坐标)；(3)通过A、B两点的84坐标及当地坐标，求得转换参数。

3、选取合适高等级控制点作为基准站。GPS-RTK定位的数据处理过程是基准站和流动站之间的单基线处理过程，基准站和流动站的观测数据质量好坏、无线电的信号传播质量好坏对定位结果的影响很大，基准站位置的有利选择非常重要。RTK测量中，流动站随着基准站距离增大，初始化时间增长，精度将会降低，所以流动站与基准站之间距离不能太大，一般不超过10km范围。同时要考虑基准站上空无卫星信号的大面积遮盖和影响RTK数据链通讯的无线电干扰，以及提高基准站无线架设高度。因此该次基准站选在距离测区2km的首级平面控制点“测绘楼”。

(二)外业数据采集

1、基准站设置。将基准站架设到控制点，并将电台等连接到位后，打开主机和电台，当主机和电台的显示状态正常就表示基准站开始工作。灵锐s82采用全内置—体化工业三方设计，将数据链、蓝牙、双频天线整合成小巧的全无线一体接收机单元，只要打开主机，其就能自动完成初始化和搜星工作，简单方便。

2、移动站设置。将移动站连接完成后打开主机让其完成初始化和搜星。待显示状态正常时表示移动站开始工作。

3、校正。南方灵锐S82提供了强大的手簿功能，在通过手簿输入基准站坐标及坐标转换参数后，可以对移动站进行校正。校正方法有两种：(1)利用2个以上控制点建立坐标库从而求得四参数(在四参数未知情况下)；(2)通过手簿上“校正向导”功能，根据基准站已知坐标进行校正(在四参数或七参数已知情况下)。灵锐$82也能在基准站未知的情况下，通过移动站架设已知点来进行校正。需要注意的是，要注意GPS解算状态必须是固定解时校正才正确，否则必须停止。校正完毕后，就可以开始数据采集了。

4、数字测深仪。数字测深仪采用的是无锡海鹰公司的HY1700测深仪，是一种用于江河、湖泊、浅海及水库进行水深测量的便携式测深记录器，适用于水文、勘察、航道及码头疏浚等行业的精密测量及水深数据输出，采用先进的数字信号处理DSP技术，水底跟踪门技术于一体，使仪器能在恶劣的水文环境和地貌情况下，得到精确、真实、稳定的水声数据。标准的RS232／RS485串口使仪器能和计算机通讯。

5、数据采集。将移动站和测深仪的换能器固定好，将移动站和测深仪通过串口与手提电脑连接，连接好后可以开始采集。根据测区范围选择合适的点位密度，因为三期围堰所在测区范围不大，且要涉及工程量，所以采集时按每3～5m布设一测量点。南方自由行导航软件实时同步的记录测点坐标和水深值，并显示在导航图上。由于是实时记录，所以要注意GPS的解算状态，应为固定解，否则其测点精度不高。

(三)将外业采集的数据进行预处理

将水深值结合其统一到基准面的改正数、根据相关水文部门各水文站提供的水位观测资料综合计算获得点位的高程值，与平面坐标组合成该测点的三维空间坐标，并存储于文本文件中，利用南方CASS成图软件绘制地形图。

四、需要注意的问题

1、基准站一般应选在周围视野开阔，避免在截止高度角15°以内有大型建筑物；避免附近有干扰源，如高压线、变压器和发射塔等；不要有大面积水域；为了让基准站差分信号能传播的更远，基准站一般应选在地势较高、地质条件好、点位稳定、易于保存的地方，同时顾及施测的便利，尽可能利用原有的标石观测墩。

2、考虑到测点平面位置与测深仪水深值的同步问题，以及GPS所测的水面点与测深仪所测水下点是否重合的问题。因此，要求GPS接收天线和测深仪的探头安装在一条垂线上，而接收GPS的定位信号和测深仪所接收的测深信号必须同步，否则都要进行相应的改正。探头一般要求安装在船的侧边，以免后面的浪花影响测深的精度。

3、测船速度的确定。测量船的航速是一个直接影响测量成果的重要因素。航速过快，会造成接收GPS的定位信号和测深仪所接收的测深信号同步性减弱，点位坐标精度急剧下降，从而影响水下地形测绘的精度，而过慢时，会造成测量数据过多过密，使后期数据处理过程过于繁琐，影响效率。所以船速要选择合适，既要保证测量精度，又保证采集数据真实有效的反映实际地形。

五、结语

GPS-RTK技术的应用打破了传统的水下地形测量方法，不仅减少了外界因素对作业过程的过多干扰，而且降低外业数据采集的劳动强度和成本，提高了作业效率，更重要的是大幅提高了测量点位的精度，使得水下地形测量这项工程变得简单、方便、快捷、轻松、高效、经济，可以全天候的实施测量工作。随着科学技术的发展，GPS-RTK技术将会更加完善，给包括水下地形测量在内的各种工程项目带来更加美好的明天。

参考文献

[1]徐绍铨，GPs测量原理及应用[M]，武汉：武汉测绘科技大学出版社，1998

[2]全球定位系统(GPS)测量规范，北京：测绘出版社，1992

[3]梁开龙，水下地形测量[M]，北京：测绘出版社，1995

作者简介：曾嘉(1981－)，男，葛洲坝股份有限公司测绘工程院助理工程师，研究方向：水电工程施工测量、数据处理、数字化制图。