GPS技术在海洋测绘中的应用探讨

顾飞艇，余永清

(1.浙江省河海测绘院，浙江　杭州　310008;2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江　杭州　310020)



GPS技术在海洋测绘中的应用探讨

顾飞艇1，余永清2

(1.浙江省河海测绘院，浙江杭州310008;2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州310020)

随着科技的进步与社会的快速发展，海洋测绘技术日渐完善，GPS测绘技术的出现突破了传统上仅停留于陆地海平面以上空间测量的限制，成为海洋测绘的重要手段。结合浙江省海洋测绘水下地形测量和深水岸线调查项目的具体情况，探讨GPS测绘技术在海洋测绘中的应用。

工程测绘技术；GPS技术；定位；海洋测绘

1　问题的提出

海洋测绘的对象是海洋。由于海洋测量具有测量的实时性、海底的不可视性、基准的变化性等特点，所以对海洋测量采用的测量方法不仅繁杂，而且受条件限制。获取海洋地形地貌数据，需要同时进行多种观测项目，多种仪器设备配合实施，而且得到的数据精度不高，偏差较大。

随着科技的进步与社会的发展，大量高技术含量的测量技术与方法已经出现，并相继在海洋测绘工作实践中得到应用。例如，单波束和多波束测深技术的投入使用更好地解决了海洋测深的问题；卫星测高技术可探测海洋大地水准面、海洋水文等信息数据；而GPS测绘技术大大提高了海洋测绘定位的精度,其精度高、实效强的优势使海洋测绘朝着精准、高效、节能、科学及信息化的方向发展。

2　海洋测绘及GPS的概念

海洋测绘是海洋测量和海图编制的总称[1]，是采用先进的科学测绘技术及方法，对海洋要素进行全面而精细的调查，并结合海洋信息的综合治理及有效利用，以不同的缩放比例，描绘及编制能实际反映海洋信息及特征的海图，是一门理论性极强、实践性极高的测绘学科。海洋测绘包括海岸地形测量、海洋工程测量、水深测量、水文测量及深度基准测量等，所编制的海图主要为航海图、海洋专题图、海底地形地貌图等。

全球定位系统(Global Positioning System，通常简称GPS)[2]是由美国研制发明的一种对海、陆、空实施实时定位及导航的三维空间控制技术，依据卫星对信息接收终端进行实时定位监控，具有快速、精准、高效、自动化及全天候的使用特点。

3　GPS测绘技术的应用

3.1GPS海洋控制网

海洋大地控制网是由海面控制点、地面控制点及海底控制点组成，主要以海底控制点为主。海底控制点的测定可通过海面固定标志、GPS信号接收器及水声应答定位器相互间的信息传输来实现海底控制点与卫星同步观测，进而确定控制点的具体位置。其工作原理是利用GPS信号接收器与卫星同步观测、定位，水声应答器同步测定GPS信号接收器与控制点距离。海洋大地控制点的建立是海洋大地测量的基本工作，目的是为了更好地服务于观测海面变化、建设海洋工程、测绘海底地形地貌及船只舰队航线导航等。浙江省海洋测绘水下地形测量和深水岸线调查项目的测量范围主要为舟山群岛新区北部水域，属于近海区域,GPS海洋控制网主要利用各岛屿已有的控制点进行控制。该项目利用已有的东剑、白虎山、朱家尖等浙江省GPS框架网和马岙、衢山、大洋山等浙江省GPS基础网为平面基础控制网的起算点，采用GPS测量技术逐级布置“星形”平面控制网。

3.2GPS的定位技术

海洋测绘水深数据采集的3大要素是定位、测深和水位观测。浙江省海洋测绘水下地形测量和深水岸线调查项目在作业过程中采用DGPS或网络RTK技术进行实时定位。为求定位精准，我国沿海地区建立了22座RBN—DGPS基准站[3]覆盖了离岸300 km的水域。目前，DGPS定位技术的精度可达到亚米级，能满足海洋测绘中对沿岸海道的导航及定位需求。网络RTK技术主要采用浙江省卫星定位连续运行综合服务系统(简称ZJCORS)，包括省级连续运行基准站网和市级连续运行基准站网2部分。精度上，系统可提供从毫米级、厘米级到亚米级等多种不同精度的定位与导航服务，形式上，系统既可提供网络RTK、RTD的实时动态定位服务，也可提供高精度静态数据服务。

同样，基于ZJCORS 的网络RTK只适用于近海岸水域测量。随着GPS测量技术的不断完善，GPS—PPK技术在我国逐步推广。相对于网络RTK，PPK技术克服了数据传送的局限，作用距离更长，在无数据连接的情况下，依然能够很好地发挥测绘功能，提高测绘精度。因此在较为重要的海洋测绘工作中，应综合考虑测绘方案的合理性、可行性及数据精确性，仔细分析三者优势，将其有机结合，在确保数据准确的前提下，适当选用不同的GPS测量模式进行定位。

3.3GPS的测高技术

地形图是指按一定的表示方法表示地物地貌平面位置和高程的正形投影图[4]。利用GPS技术测设平面位置，利用测深和水位资料获得测点高程。目前定位和测深技术已经比较成熟，但受海洋环境的影响，水位资料的获取和利用已成为海洋测量中的主要误差。采用DGPS进行海洋测绘水下地形测量项目时，通常采用DGPS定位技术，再利用水位站观测，并通过水位模型推得理论最低潮面值进行高程控制。当测区远离陆域海岸，传统的验潮方式是在离测区最近的离岸点设置潮位站，即使不考虑长距离的潮位差值，两地的海洋水文波浪差值也远远超出了测量精度的要求。虽然可通过长期站、短期站和临时站确定潮汐参数，但是所得参数的精度低、成本高。通过引进GPS—RTK和GPS—PPK“无验潮”技术，可大大减小水位误差。

GPS—RTK或GPS—PPK“无验潮”模式技术测定海底高程，是用经处理和归位计算后的瞬时高程代替了水位和吃水合成的高程，从而较好地消除了海洋水文波浪、海洋水位高差、海洋潮汐、测船摇摆等引起的测量误差，提高了测量精度，这是验潮模式不可比拟的优势。“无验潮”模式进行海洋测绘时，无验潮原理和仪器设备安装示意见图1。WGS—84坐标系下海底高程的计算见式(1)：

H=H3-H2-H1

(1)

式中：H为WGS—84坐标系下的海底高程，m；H1为测深仪瞬时测量深度，m；H2为GPS卫星接收天线至测深仪换能器的高度，m；H3为GPS卫星接收天线高程(即大地高)，m。

图1　无验潮原理和仪器设备安装示意图

4　存在的问题及解决措施

4.1位置偏差的修正

采用DGPS或网络RTK技术都可以满足项目定位精度要求，在进行浙江省海洋测绘水下地形测量和深水岸线调查项目时， 定位中心应与测深中心保持一致，要求GPS天线与测深仪振荡器在同一垂线上(见图1)，当定位中心与测深中心的偏差超过规定的定位精度要求，应将定位中心归算到测深中心，实现定位和测深的一致性。

4.2延时改正

测深作业时，将测深仪输出接口、GPS定位输出接口同时与计算机连接，实现定位、测深同步。同时在数据采集中，GPS定位与测深设备容易不同步，使测得的数据发生偏差，导致地形地貌的形状产生失真。当测船前进时，GPS系统和测深系统将使每个水深数据向后漂移，则可以使用公式“定位测深系统的延时=延时产生的位移/测船速度”进行定位和测深的改正。

4.3坐标转换误差

由于GPS技术获取的坐标为WGS—84坐标，转换成地方坐标则需要进行相应的转换模型，常用的有三参数模型和七参数模型。采用DGPS进行数据采集时，主要涉及到平面位置的转换；而采用网络RTK技术进行数据采集时，关注平面和高程的精度，通常采用三维空间转换模式即七参数模型转换。数学角度上，三维空间转换模式是严密的，但是由于观测时间和观测条件等的限制，大地高的测量精度存在一定的局限性，导致该方法的转换精度有一定限制。在浙江省海洋测绘水下地形测量

和深水岸线调查项目中，目前ZJCORS 提供的网络RTK 服务还不能直接获取测点的1985 国家高程基准，需要在测区建立七参数模型或高程异常拟合模型进行转换，在转换过程中对高程残差进行GPS拟合，以求得更高精度的正常高。

5　结　语

综合上述，随着GPS技术的深入发展，它在海洋大地测量、海上定位、水下地形的精确测量等海洋测绘领域得到了广泛使用；随着GPS数据处理技术的不断改进，数据测量更加精准，定位更加准确，操作更加快捷。“开天辟地，测绘先行”指的是为设计提供依据的是“测量数据”成果，GPS技术在海洋测绘中的实际应用，为我国海洋经济建设提供了较好的技术服务。

[1]赵建虎．现代海洋测绘[M].武汉：武汉大学出版社，2008：7-8.

[2]李征航.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2008：17-25.

[3]缪锦根，刘冬全.中国沿海RBN-DGPS系统功能升级构想[J].湖北:地理空间信息，2010(4):60-61.

[4]高井祥.测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社,2006：104.

(责任编辑张书花)

Discussion on Using GPS Technology for Marine Surveying and Mapping

GU Fei-ting1,YU Yong-qing2

(1.Zhejiang Survey Institute of Estuary and Coast,Hangzhou 310008,Zhejiang,China; 2.Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co.,Ltd.,Hangzhou 310020,Zhejiang,China)

With technological advances and rapid social development,marine surveying and mapping technology is gradually improved.The emergence of GPS surveying and mapping technology broke through the traditional limitation of only measuring the land above sea level,and it becomes an important means for ocean mapping.Combined with the specific situation of marine mapping underwater topographic survey and deep-water shoreline survey project in Zhejiang Province,the application of GPS mapping technology in marine surveying and mapping was discussed.

engineering mapping technology;GPS technology;positioning;marine surveying and mapping

2015-08-20

顾飞艇(1981-)，男，工程师,大学本科，主要从事海洋测绘和项目管理等工作。E-mail:495863614@qq.com

P228.4

A

1008-701X(2016)03-0077-02

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.024