泽雅水库数字化水下地形测量

摘 要：随着海洋经济的发展，水下测量工作日益增多并得到重视。现以泽雅水库水下地形数字测量为例，阐述了目前数字水下测量的几种方法，描述了采用GPS-RTK和数字测深仪，以传统RTK技术定位模式施测水下地形的全过程，包括数字水下地形采集的方案设计、外业数据采集、内业水深数据处理和地形成图等若干技术问题。测量结果为水库运营管理提供了可靠资料。

关键词：水下地形测量；RTK；数字测深仪

中图分类号: TV221.1文献标识码：A文章编号：

水库在设计、建设过程中，一般会考虑到水库运行若干年后库内泥沙的淤积情况。然而，在水库实际运行十几年后、有的甚至几年后就必须进行水下地形测量，以便了解库区的淤积情况及是否需要采取必要的措施进行处理。泽雅水库建造于20世纪90年代中期，随着水库工程的逐步稳定，需要对库内水下进行1:2000地形测量。

1水库水下地形数字化测量方案

泽雅水库水下数字地形测量可以采用两种方案进行：一是利用GPS差分技术DGPS配数字测深仪，二是利用GPS实时动态技术RTK配数字测深仪。DGPS（即差分全球定位系统）方法是在一个精确的已知位置上安装监测接收机（基准站），计算它能跟踪的每颗GPS卫星的距离误差，该差值通常称为PRC（伪距离修正值），将此数据传送给用户接收机作误差修正，从而提高了定位精度，定位精度为0～3m[1]。我国沿海地区从南到北由海事局建立了20个差分信号基准站，这些信标站24h免费发布RTCM差分改正信息，用户只需在信号区接收到信号即可进行坐标定位。由于信标信号基站建在我国沿海岸边，且陆地覆盖信号区域为300km，海上为500km，故该方法一般在沿海地区适用。RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到1s[2]。

根据RTK基站的不同，RTK配数字测深仪进行水下数字地形测量也可以分两种方案进行：一是传统RTK技术，该技术是在测区内适宜地点建立RTK基站，流动站在一定范围进行平面坐标采集，在无遮挡情况下，流动站和基站的距离一般要保持在7km以内才能进行互相通讯；另一个技术是目前正在推广的网络RTK技术，也叫CORS(Continuous Operational Reference System，利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统)。该技术是由当地测绘部门建立一批永久性RTK基站，让基站信号基本覆盖该地区。目前，包括浙江杭州、温州等地的很多地区均已建立。该方案的优点是不需要建立基站，可减少测量时间，但缺点在于基站的信号受建筑物和山等的阻挡，在很多地点会有盲点或死角。

泽雅水库位于温州市区西部山区，水域面积约3k㎡，整个水库呈“人”字形状，除坝前为一开阔水域外，其他水域为三条支流，其中2条支流蜿蜒长约5km，库区四周山形陡峭，落差约150m。经过实地探勘和分析，测区内DGPS虽然信号比较好，但为提高定位精度，方便以后清淤工程量的计算，决定采用RTK技术进行定位，同时考虑到测区内会有网络RTK基站信号的盲区或死角，因此，测量方案定为传统RTK配数字测深仪进行水下数字地形测量。传统RTK基站可根据需要在测区内多位置设站，以达到消除基站信号盲区或死角的目的。

2外业全自动数字测量

2.1 控制测量

外业测量包括地面控制测量和水库水下地形数据采集。为建立水下地形测量的RTK基准站，将GPS测量的WGS-84坐标转换为工程所需要的坐标系—温州城市坐标系，需要在测区（水库四周岸边）布设平面控制点。其中一些控制点将作为下一步水下测量的RTK基站，因此，控制点位置的选择应考虑使RTK基站信号完整覆盖所有测区各个角落。平面控制点采用静态GPS定位或全站仪导线等地面控制测量方法。泽雅水库在90年代修造时，库区周围已有3个四等平面控制点，坐标为温州城市坐标系统，在本次地面控制测量时，只需将该3点纳入到控制网中，就可以在平差后得出各个其他控制点的温州城市坐标及测区WGS-84坐标转换为温州城市坐标的七参数或四参数。对于高程控制测量，由于水库水面在某一时间基本处在同一高程面上，故可根据某一处水面水位来推算整个测区水面高程。这样，在进行水下地形数据采集时，用全站仪采用三角高程的办法求得即时的水面高程即可。

2.2 水下地形数据采集

本次数字水下测量的仪器采用南方S82RTK和无锡海鹰HY1600测深仪，测量软件为南方公司的“自由行”水上测量软件。实时动态显示导航画面，记录水深的三维坐标。定位数据分别为每秒记录一次和相隔一固定距离（本次为2～5m）记录一次两种形式，两种形式同时记录。每秒记录一次的数据用于特征点的内插。

数据采集前，应先在测量软件中建立相关工程名“泽雅水库水下地形测量”，并在该工程中输入测区中央子午线120°40′（温州城市坐标系中央子午线经度），同时输入七参数或四参数（当测区面积不大时，可用简单的四参数代替七参数）。随后，将测区的计划测线，也即预先设定的船只测量路线导入工程中。计划线可以在CAD软件中先期画好，并保存为DXF文件格式，等待调入，也可以根据测区大概轮廓坐标在水上测量软件中直接作折线。本次测线的间距为10～15m，整个测区计划线如图1所示。

图1 泽雅水库水下测量计划线图

仪器安装在船上，使定位中心与测深中心一致，同时将测深仪各种信息的输出以标准串口形式和RTK流动台相连，实时数据通讯，实现水深数据与定位数据同步采集。水深记录采用计算采集和测深仪模拟记录同步进行，以便核查。计算机水深采集记录至0.01m，测深仪模拟记录读数精度为±0.01m。测深工作前后均用检查板和插竿检查、比对测深仪测深数据。泽雅水库各水层声速变化很小，在1 516～1 518m/s之间变化，声速采用该测区的平均声速1 516.7m/s。

3内业数据处理

3.1 水深数据处理

测量水深数据在南方随机后处理软件中进行。先对打印的水深数据进行校对，发现问题及时处理、改正，并进行标注。全部打印数据检查好后，再与电脑中的数字数据进行对比分析，并查找注记地区进行修改。

在进行水深数据处理时，要剔除粗差，需要将水深模拟打印图与电脑中的水深图反复校核。一方面因为水下测量粗差概率非常大；另一方面，水下进行重复测量比较困难，而且缺乏必要的几何图形检核，给粗差处理增加了一定难度。

处理水深误差，一般采用软件自动识别法和人工判读法。软件自动识别法是利用解算软件中的自动识别功能，将仪器采集时信号出错的水深进行自动解正。自动改正的一般是“孤点”（图2），改正后使“孤点”的水深值与前后水深值趋势保持一致。此方法对水底地形变化趋势和缓的水深数据解算作用比较大。自动改正后，一般仍要进行人工干预，特别是对水下地势跳跃变化较大的水下测量，人工判读是必须的。人工判读法是对电脑中显示或图纸中绘制的水深值连线的异常处进行人工判读并予以改正。人工判读一般应先对测区的水下地形有初步的了解，如沿海滩涂地形一般比较平缓，没有大起大落的锯齿状地形，而山区水库特别是新建的水库，其水下地形则有可能存在沟坎，高程变化有跳跃现象，等高线就又可能不连续而断开。人工判读可以分为断面法和圆域法[3]。该两种方法一般适用于有多个连续水深出错的区域（图3）。断面法是比较几对相邻点的水深差值，如果差值的符号、大小杂乱无章，则可判断这些点位异常，需进行改正或剔除。圆域法是按照自然地形、地貌的成因表现为一定趋势的情况下，建立一种空间渐变模型，基于统计假设理论，把含有粗差的水深值视为自期望相同但方差较大的母体的子样，在一定圆域范围内，逐点进行统计假设检验，判定异常点并予以改正。圆域法一般要编写相应程序，比较复杂。本次泽雅水库水下地形测量基本采用软件自动判读和人工断面判读法。

图2水深值“孤点”出错图图3 水深值连续出错图

3.2 水下地形生成

水深数据处理完毕后，将水深数据和水位数据导入“自由行”软件中进行高程数据解算，最后得到水下高程点和平面点坐标的数据文件。将该文件导入商用软件CASS7.1中，通过三角网（DTM）建模(图4)，生成水下等高线或等深线(图5)，就形成所测泽雅水库的水下地形图。

图4DTM建模图 图5 等高线图

4结 语

泽雅水库水下地形测量采用了GPS-RTK和数字测深仪，这些高新技术在测量中的应用，不但减轻了外业测量的劳动强度，而且高效、直观地测量出水下数字地形，为水库运营管理提供了基础资料。

参考文献

[1]刘勇,范志勇.信标差分DGPS技术在水下地形测量中的应用[J].科技咨询导报,2007(13):27-28

[2]周忠谟,易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社,1997

[3]罗长林,张正禄,梅文胜等.数字水果湖水下地形和淤泥厚度测量[J].测绘信息与工程，2004,29(4):1007-3817.

作者简介：刘勇（1971—），男，湖南湘潭人，高级工程师，主要从事GPS、工程测量、水下地形测量等方面的研究和教学工作。