大伙房水库实时动态测量应用

2014-03-22孙博

东北水利水电 2014年6期

关键词：大伙房换能器水深

孙博

（辽宁省大伙房水库管理局，辽宁抚顺 113007）

大伙房水库实时动态测量应用

孙博

（辽宁省大伙房水库管理局，辽宁抚顺 113007）

大伙房水库总库容 22.68 亿 m3，控制流域面积 5437km2。作为辽宁重点水利工程管理单位，掌握库区泥沙水文数据必不可少。对水库淤积进行测量是获取泥沙数据的重要手段。随着技术的发展，传统的测量方法已经很难满足现代水利管理的要求。实时动态测量系统因其具备全天候、精度高、作用距离远、效率高的特点，在实际应用中取得良好效果，为以后水库管理提供了及时，准确的数据。

1 系统的组成及基本原理

其系统组成主要有数字化测深仪配备 GPS接收设备、无线电数据传输系统及支持实时动态差分的软件系统四部分组成。

测量原理：首先在基准点上设置参考站，连续接收可见 GPS卫星信号，并通过数据链电台实时地将测站坐标及观测数据传送到流动站。流动站在接收 GPS卫星信号的同时，根据参考站传输来的数据，由软件系统根据相对定位的原理进行差分解算，实时地得出流动站的三维坐标及精度。

其次通过数字化测深仪的超声波测出发射波和反射波之间的时间差来进行测量的。声波在水中的传播速度为 V，换能器（探头）发出超声波，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收，测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则：Z=Vt/2；同时根据探头上固定杆的刻度可获知水面与探头之间的距离，即吃水深度，两者之和即为最终水深。

最后采用如图1所示的组装，因为水下地形测量的主要任务是确定水下某一点的泥面标高,即 A 点的平面坐标（X，Y，Z）。Z=h0-b-s，其中水底高程 Z 只和 h0及 S 相关，与潮位无关，从而达到无验潮。h 为 GPS 天线到水面的距离（即天线高）；a为吃水；b 为换能器杆子的长度（常数）；s为换能器底部到水底的深度；H 为水深；h0直接由 RTK实时测得。

另外：Z=h0-h-H=水位-H。其中 h0-h 即为常说的水位。普通的 DGPS 测量的高程值 h0精度比较差，满足不了要求，为了解决水下地形测量，在精度要求不高的地方需要人工的方法检验潮位，这就是常规的验潮方法。

图1 组装示意图

2 实际操作

2.1 设备的选择

大伙房水库进行测量是采用的华测 X91GNSS（1+1）双频 RTK、华测 D330 单频测深仪、华测Hydronav 导航软件、AUTOCAD 辅助成图系统为主的软硬件设备。以下都是以这些设备为例进行操作说明的。

2.2 前期的准备工作

1）控制点数据的收集，施工区域位置的确定，施工区域计划线的绘制；

2）测深仪换能器的绑扎，换能器一般绑在距离船尾 1/3 为宜，吃水深度以超过 0.5m 为准；

3）任务的建立，设置坐标系、投影、转换参数；

4）施工区域计划线的绘制。

2.3 外业的数据采集

1）实时动态作业：将 GPS 基准站架设在固定的位置，启动基准站，用移动站采集控制点坐标，进行点校正，再找另外一个控制点进行比对，检测结果符合要求后，方可进行数据采集工作。

2）测深仪水深的比对：在进行水深记录之前，需进行水深的比对工作，调节测深仪的声速，确保测量深度在误差范围内（一般在静水条件下，用比对板在不同的深度进行比测，也可用测深锤比对，通过调节声速，达到要求）。

3）RTK 和测深仪的联机调试：将 RTK 接收机通过数据线连接上 D330 测深仪,设置好 GPS 和测深仪的数据格式，通过串口调试助手将信号连接通；坐标的检测：将 RTK 点校正的参数输入到导航软件中，检测软件显示坐标和手簿显示的坐标是否一致（注意：设置好天线高后导航软件显示的高程即为水位），检测合格后方可进行数据采集。

4）数据的采集和保存：打开测深软件，将水深测量图像实时保存下来；打开导航软件，按设计好的计划线，按 2m 一个点进行数据采集，采集结束后保存。

2.4 内业处理及成图输出

1）内业处理：将记录好的原始数据，通过数据取样，去掉有粗差的水深点，通过后处理软件生成坐标数据文件,数据格式为（点号，X，Y，Z）。

2）成图输出：将通过内业处理好的坐标文件通过绘图软件，直接可以显示位置信息，生成等高线，断面图，三维立体效果图，并可进行土方量的计算和统计。

2.5 成果的检验

同一地方不同方式比较：在距离码头 1km 位置设立自动潮位仪，人工验潮的方式，对同一段进行3次水深测量，无验潮方法测得的数据经过比对，水底高程差值基本小于 0.1m。

同一地方交叉测量：在测量的时候先纵向测3条线，再横向测 3 条线，其中位置相交的地方进行水深比较，水深互差在 0.1m 之内。

3 作业中常见的问题及应对措施

1）RTK 作业：基站尽量选择地势高且开阔的地方，电台天线要尽量高；电源电量要充足，否则也将影响到作业距离；基准站位置变动移动站需要重新点校正；基准站严禁自启动，断电重新开机需要重新校正；点校正完后才能采集数据，不能后处理。

2）测深仪：测深仪在测量之前和测量之后均需要进行声速校正；测量杆绑的时候尽量垂直且绑稳，吃水在 0.5m 以上，且在距离船尾 1/3 左右位置为宜；记录好测深图像，后处理时，剔除残差可以参考；船在航行的过程中，航速在 6 节以内为宜；如果 GPS 的位置和换能器的安装位置不一致，需进行天线偏差改正；测深仪在贴近码头处或者水下乱石堆处需谨慎处理。

3）软件：记录限制为固定解；精确量取天线高( 天线至水面的高度)，测深仪吃水改正参考同一水平；不同厂家的 GPS 模型不一致，解算的参数不一样。

4）其他：测量尽量选择在平潮，风浪比较小的时候测量；船在航行的过程中，尽量沿计划线测量，偏差大的地方可以不记录；软件中左侧显示的GPS的坐标和水面高程。