基于CORS的RTK与数字测深集成技术在水下测量中的应用

张兴国 ，吴大鹏，王洪

(1.济南市勘察测绘研究院，山东济南 250013; 2.福建工程学院，福建福州 350108)

1 前言

城市建设中，为了提高城市的防洪、蓄洪和航运能力，要疏浚河道、整治航道，需要进行水下地形测量。同样兴建港口、水上运输、海上采油、海域划界、海战保障、海底地壳运动监测、地球动力研究等都需要进行水下地形测量。总之，水下地形测量在航道、港口、水利、矿产资源开发利用等领域有着广泛的应用。

RTK与数字测深技术的发展，为实时获取水下三维信息和实现水下地形测绘自动化提供了条件。应用基于CORS的RTK测量技术不但可以进行平面位置的精确定位，而且还可用来进行水面高程的实时确定，通过测深仪测得水深，进而求得水底高程。

采用这种方法确定的水底高程精度较高，大大提高了工作效率，且自动化程度很高。

2 工程概况

小清河干流综合治理工程是结合南水北调东线胶东输水干线工程及济南市城市总体规划，配套景观、生态、旅游休闲、交通等工程建设项目，建成集多种功能于一体的城市景观河道。综合治理工程主要由防洪除涝、景观、交通、通航、治污、补水和其他各项市政设施等七部分组成，玉清湖沉沙池工程是小清河治理工程的重要组成部分。本工程是对玉清湖沉沙池西南角地区进行水深测量。测区位于玉清湖水库以北，玉清湖水库二号泵站内。测量区域水深为1 m～8 m。

3 测量基本原理

3.1 JNCORS 系统简介［6］

济南市连续运行卫星定位服务系统(JNCORS)作为“数字济南”地理空间基础框架的重要组成部分，采用的是天宝(Trimble)公司虚拟参考站技术——VRS技术系统，设有济南市勘测院、商河、济阳、齐河、章丘、平阴和柳埠7个基准站，相邻站间距最长为79 km，最短为27 km，平均为50 km。JNCORS系统各基准站使用新型接收机，可以同时接收GPS(包括L2C信号)和GLONASS卫星信号，实现了卫星定位系统由GPS向GNSS的转变;采用扼流圈天线，满足气象和地震等部门的基准站网建设规范，部分基准站可升级为国家级的GNSS跟踪站、国家地壳形变监测的基准站;数据中心采用虚拟参考站技术的GPSNet实时动态用户采用GPRS/CDMA与数据中心连接。

3.2 基于CORS的RTK与数字测深仪集成技术原理［3，5］

数字测深仪是一种用于水库、江河、湖泊及浅海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、水底门跟踪技术于一体，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。

RTK结合回声测深仪测量水下定位点坐标与高程的方法，是将RTK流动站天线直接安装在测深仪换能器的正上方，这样可以保证在测量的过程中，RTK测量的点位与测深仪测量的水下点位在同一铅垂线上。测量过程中，在RTK测定换能器底部坐标、高程的同时，测深仪测定了定位点的水深，将RTK测量的高程减去测深仪测量的水深，得到水下定位点的高程。如图1所示，换能器的坐标即是定位点的坐标。

图1 水下定位点高程测量原理

水下定位点的高程H计算公式为:

式中:H1为换能器底部的高程;H2为换能器测量定位点至换能器之间的水深。

4 数据采集

4.1 施测前数据检验

为了保证测量结果可靠，利用JNCORS系统，检测C级GPS点CPI4009，检测数据如下:

检验结果精度符合要求，可以进行实测。

4.2 具体施测

使用仪器:天宝R4型GPS接收机、中海达HD－310测深仪各一台。首先利用测深仪和钢尺分别测定水深，根据其差值改正声速参数，直至二者一致。然后连接测深仪与RTK，并将其固定在船上，控制好船速，保证船的倾斜较小，即可实时测量。

5 内业数据处理及成果输出

将记录的水深数据导出到Excel表格中，然后将RTK测量的高程与对应的水深数据进行处理，得到水底高程。结合RTK所测平面坐标，形成所需要的三维坐标(X、Y、H)。把数据转换为南方CASS软件所要求的DAT数据文件，然后利用南方CASS 9.0对野外数据进行处理，最后编辑成图，如图2所示。

图2 玉清湖水厂沉沙池湖底标高测量工程图

土方量计算:土方量计算根据甲方要求，中间坝内部分按照平场进行计算，其他均按现状与一期进行比较，算出二期差值。计算使用南方CASS 9.0软件提供的方格网法进行土方量计算，方格网宽度采用0.5 m×0.5 m。计算结果如图3所示。

图3 玉清湖水厂沉沙池围堰土方量计算工程图

6 技术结论

(1)克服了单参考站RTK对数据传输的限制，也更好地解决了多路径效应对测量结果的影响。

(2)基于JNCORS系统的RTK与数字测深集成技术应用于水下地形测量，改变了传统的RTK测量作业模式，实现了作业的高精度、高效率、全天候，降低了生产成本，节约了人力，真正实现了水下地形测量的自动化、数字化、内业及外业一体化的作业流程。

(3)由于水下测量环境复杂，因而对精度的控制是水深测量作业中关键，在实践当中要对误差进行严格的控制，严格遵守测量规范，改进操作细节，力求把作业环境对精度的影响降到最低。

(4)如果能购买或是自己研发一体化的水深测量系统，将会使外业工作更加直观，增强数据的可靠性。

［1］吴恒友.GPS-RTK与数字测深集成技术在水库水下地形测量中的应用［J］.水利科技与经济，2009，15(11):1025～1027.

［2］吕继书，万仕平，李玮.GPS结合测深仪水下地形测量原理与应用［J］.天然气与石油，2010，28(2):50～51.

［3］钭春红.数字测深仪结合 GPS-RTK在库区清淤中的应用［J］.中国水运，2011，11(3).

［4］GB50026－2007.工程测量规范［S］.

［5］曾嘉.GPS-RTK技术在水下地形测量中的应用［J］.中国高新技术企业，2009(17):51～52.

［6］刘成宝，牛守明，刘曦灿.济南市连续运行卫星定位服务系统测试及分析［J］.城市勘测，2010(2):68～70.