基于GPS技术的水下地形测量方法

李超

摘 要： 水下地形测量是河道工程的基础测量工作，也是工程方案设计的必要基础资料。本文重点讲述了基于GPS技术的水下地形测量方法，讨论了平面测量、水深测量、GPS控制网测量、成果图处理等相关方法，希望对同类水下地形测量工作提供参考依据。

关键字： 水下地形测量； GPS； 平面测量； 水深测量

前言

水下地形测量的目的为项目可研阶段河道或海域的数值模拟计算以及相关方案设计提供详细的地形资料，同时也为项目相关专题提供相应的基础资料。

水下地形测量除满足项目技术任务书基本要求外，还应满足国家相关法规标准，主要包括：《工程测量规范》（GB50026-2007）、《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2009）、《水运工程测量规范》（JTS131-2012）、《海港水文规范》（JTJ-145-2-2013）、《测绘成果质量检查与验收》（GB/T 24356―2009）等。本文是基于GPS技术讲述了水下地形测量的方法[1-2]，主要包括平面测量、水深测量、GPS控制网测量、成果图处理等相关工作方法。

1. 水下地形测量

水下地形图测量比例尺1∶1000时，地形测量基本等高距为0.5m。比例尺1∶10000时，地形测量基本等高距为2.0m。地形图图式按测绘信息地理局标准图式编制，测量图幅按国家标准图幅分幅。测量采用横断面法进行，断面线布置成与等高线或水流方向大致成垂直，水下地形点的密度以能显示出水下地形特征为原则[3]。测量水下地形部分的1∶1000测线间距控制15m，测点间距控制为10m；1∶10000测线间距150m，测点间距100m。水底地形复杂或水工建筑物地区适当加密，以真实地反映出地形、地貌。

1.1 平面测量

测点的平面位置应采用南方S86型GPS接收机，岸上架设基准站，接外挂电台，蓄电池供电，5米天线发射差分信号，辐射半径15公里的区域。移动GPS接受机采用固定解记录数据。

测区最远端离岸较远时，受转换参数、校正参数、GPS本身的误差影响，使测量成果产生一定的误差，误差大小无法检查。为了进行保证GPS记录高程的质量[4]，应在基准站附近设立水尺，采用水准测量的方法把高程引测至水尺，在测量的过程中比较水尺与GPS记录高程的差异，用以检查GPS接收机的工作状态与测量精度。避免出现粗差，保证水面高程的精度。

1.2 水深测量

水深测量应采用SDE-28测深仪进行测量，测量中，测深与平面定位同时同位进行，以消除滞后误差，GPS接收机接收天线应与测深仪的换能器在同一铅垂线上，在地形转折变化的水深点或特征点处，应将特征点进行直线插补。

内业提取两者对应的数据进行处理与编辑，处理成*.dat格式数据。测量过程中注意RTK差分格式，水深数据是否记录。

水域测量每天应收听天气预报，记录当天的天气情况，注意人员与仪器的安全，雨天与雾天禁止水域测量。

水域测量的跨线检查在测量全部结束后，沿与测线方向垂直进行跨线测量，检查点数不应少于5%。通过比较水深数据的差值，差值均为不大于0.4m。

水位测量采用的SDE-28测深仪能够实现自动记录数据。为使水位观测资料能贯穿于外业观测的全过程，在水下地形测量之前，安装调试好测深仪，启动后每隔为1秒钟连续记录相应水位值。为了检验测深仪记录数据的正确性，每天测量开始前与测量结束后，应用打水板与测深仪数据进行比較、记录。每天工作开始后与结束前，相关改正数据传入计算机保存。

断面测量采用上面相同方法，每个断面之间的间距都小于200m，河流转弯处加密断面。在水位上涨时进行水深测量，测点间距控制为不大于5m，水底地形复杂或水工建筑物地区适当加密测点，以真实地反映出地形、地貌。同时两台RTK在河两岸上同步测量，以完成断面测量。

2. GPS控制网测量

为了确保GPS整网的精度和便于碎部测量，按照基础控制“分级布网，逐级控制”的原则，采用分级布网的方法布设测区内GPS控制网。

GPS控制网的观测应采用5台双频静态接收机同时进行作业，平面精度为3mm+1ppm，在进行GPS控制网观测过程中按下列要求进行：

a、作业前按《GPS规范》要求编制GPS卫星星历预报表和作业计划/调度表，选择最佳的观测卫星组以及观测时间段，以确保观测质量。

b、每点观测时，详细做好野外记录，如点号、点名、接收机天线高、开关机时间及同步观测点号等内容。

c、一个时段观测过程中未进行以下操作：关机又重开、改变卫星高度角、改变采样间隔、改变天线的位置、关闭或删除文件。

d、不在接收机旁使用对讲机，防止其他人或物体靠近接收机天线，遮挡卫星信号。

e、进行观测时各项主要技术指标：卫星高度角≥15°，有效卫星总数≥5，观测时段数≥1.6，采样时间间隔：10S，观测时段长度≥60min，观测时间为180分钟。

f、观测时认真整平、对中仪器，对中误差小于2mm，并在测前测后各量取一次接收机天线高，较差均小于3mm，并取其平均值作为最终天线高。

GPS网数据处理方法：基线预处理采用南方公司的南方测绘GPS数据处理软件进行，所有基线处理完毕，把可用基线输出成适用CosaGPS软件的数据格式；基线向网平差采用南方公司的CosaGPS软件进行平差。

3. 成果图处理

3.1 缩编图的编辑

地形图在成图软件AutoCAD上进行编辑，将外业所作碎部测内容编辑到地形图中，对地形图的线性、符号、注记字高等等一一进行编辑，最后存储为AutoCAD的格式。

3.2 地形图的编辑

根据外业测绘内容在计算机上进行编辑，首先将DGN格式文件转换成AutoCAD DWG格式，在成图软件Cass9.0上进行编辑，最后存储为AutoCAD的格式。编辑采用人工干预的方法对立体测图时表示的所有线条要素参照外业调绘图认真逐一进行修改，其主要内容包括：

（1）图层、图块、线型的设置存放

地形要素的分层存放，符号以块（Block）方式存在，块和线型均以插入方式编入图形文件中，以脱离原符号库和线型库。

（2）图面各要素的编辑

①增补外业调绘的地形图要素，主要有独立地物、工矿要素、房屋层次、管线性质、电力线性质及走向、河流、沟渠等，全部按照地形图相映的图式符号表示在数字地图上，并按调绘的地形图加注了名称及性质的说明文字。

②将外业测绘的高程点及高程值用展点程序转注到数字地形图上，并绘出等高线。等高线要赋高程值。

③植被符号、注记名称大小按《1∶500、1∶1000、1∶2000 地形图图式》要求执行表示。

④为使图面美观，计算机编辑过程中使用了多种捕捉功能。高程点注记和文字注记放置最佳位置，图面线划和符号无重叠。

⑤说明和地名注记字体：字高、注记按照《图式》规定执行。

（3）图外整饰，图廓整饰

图幅上方正中注记图号及流水编号。图廓坐标及图号均应注记坐标整公里数。详细按《工程测量规范》（GB50026-2007）执行。

（4）图边拼接

作业员之间、作业组之间按照接边的一般原则进行了图幅间的接边，图幅间接边后要整个测区图幅的接边检查，以检查整个图面内容的完整性和正确性；图幅间接边时，接边误差均小于2倍中误差，则接边情况良好。

4. 结语

国内采用GPS技术进行水下地形测量已广泛应用，GPS技术测量精度高、效率快，为水下地形测量工作提供了便利。本文对水下地形测量工作中的平面测量、水深测量、GPS控制网测量、成果图处理等方法进行了详细阐述，希望为同类项目工程提供参考依据。

参考文献

[1] 李宇， 马洪蛟. 提高水下地形测量GPS定位精度的探讨[J]. 现代测绘， 2004， 27（1）：42-43.

[2] 闫永辉， 徐建新， 吴文强，等. GPS-PPK结合测深仪在水下地形测量中的应用[J]. 人民黄河， 2013， 35（5）：128-130.

[3] 吴文. 浅谈水下地形测量技术[J]. 科技资讯， 2011（21）：110-110.

[4] 赵金忠， 冯林刚， 宋乐平，等. GPS高程转换的一种改进算法[J]. 物探与化探， 2013， 37（2）：350-352.

[5] 冯银银， 吕振波， 李凡，等. 現代海洋测绘中GPS的应用[J]. 西部资源， 2016（1）：49-49.