GPS-RTK技术结合HiMAX数字化测深仪在测量水下地形中的应用

文小勇

摘  要：文章以河道整治项目为例，将直接采用GPS-RTK实测水底高程与GPS-RTK配合测深仪计算水底高程的两种方法进行对比分析，验证了数字化测深仪在水下地形测量中的测量精度及其可靠性。这种方法的应用，不仅为疏浚河道、清淤开挖、监测淤积提供了更为精确的三维数据，也最大限度的降低了作业强度、提高了生产效率。

关键词：河道整治;GPS-RTK;测深仪;测量精度;可靠性;水下地形测量

中图分类号：P229.1        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）33-0175-04

Abstract： Taking the river improvement project as an example， this paper compares the two methods of GPS-RTK measured underwater elevation and GPS-RTK with depth sounder to calculate the underwater elevation， and verifies the measurement accuracy and reliability of digital sounder in underwater topography measurement.The application of this method not only provides more accurate three-dimensional data for dredging river channel， dredging excavation， monitoring siltation， but also minimizes the working intensity and improves production efficiency.Keywords： river remediation; GPS-RTK; depth sounder; measurement accuracy; data reliability; underwater topography measurement

引言

近年來，随着城市化进程的迅速增长，生态环境、湿地公园的关注度日益明显。工业文明在给人们带来生活便利的同时，也给原生态的环境带来了大量物种濒临灭绝的破坏。为了逐步改善当前状况，国家大力提倡对湖泊、近海、河道的整治和防护工作。因此，河道疏浚、清淤开挖、淤积监测相关的测绘项目正在逐年增多。

1 水下地形测量相关技术原理

确定地球表面任何一点的位置，需要同时知道其平面位置及高程。由于水底不可见、仪器无法抵达等因素，水下地形的准确测量一直是测量界亟待解决的问题。GPS-RTK实时定位技术与HiMAX数字化测深仪的完美结合，以无人船作为数据获取平台，按照设计好采集路线及间隔，即可准确获取水底任意一点的三维坐标。在为淤积监测、清淤开挖方量计算提供更为准确、可靠数据的同时，也大大提高了工程效率。

1.1 GPS-RTK测量技术

RTK（Real-Time Kinematic）实时动态差分定位技术，因其具有定位速度快、精度可靠、全天候等优点，被广泛用于地形测量、施工放样及普通控制测量中。近些年，GPS发展迅速，CORS系统、网络RTK的建立，“北斗”、“千寻”等定位技术，利用虚拟基站开拓了新模式。用户摆脱了传统的1（基准站）+N（流动站），只需要使用移动端，即可获取任意点位的三维坐标，极大的提高了工作效率。但是，由于水面多路径效应、高压电线干扰、移动网络信号较差等因素，网络RTK仍然有其局限性，在某些地方难以获取固定解。

GPS-RTK主要由基准站、电台、移动端组成。基准站接收机观测GPS卫星数据，并通过配套电台发送给移动端，移动端同时接收GPS卫星数据和电台发送的信号，利用载波相位差分原理，进行双差模糊度求解、基线向量解算、坐标转换，获取三维坐标（图1）。

1.2 HiMAX数字化测深仪测量技术

水深测量常用的方法是利用超声波回声定位。其原理是根据超声波遇到不同介质产生的反射的现象，计算声波发射、返回时间差，再根据超声波在不同温度、盐度、深度中的速度进行水深解算。

数据采集前，将换能器探头固定于船体，在目标区域选取特征水位开始进行声波速度测试。假设超声波传播速度为v，声波由换能器发射至水底，再反射至探头的时间为？驻t，则水底至换能器的距离即为

由于水底地形的不可知性，声波信号会受到各种干扰。为了提高水深测量的可靠性，HiMAX数字化测深仪实时显示测深状况，通过调节脉宽、信号阀值、增益控制等技术进行实时掌控，使测量数据趋于稳定可靠。

1.3 GPS-RTK与HiMAX数字化测深仪技术的结合

水下地形测量仪器通常使用测深杆、测深锤、超声波测深仪、多波束超声测深系统以及海底地貌探测仪等。对于河道、浅滩、港湾等工程量不大的区域，利用测深杆、测深锤不仅效率不高，位置、深度数据的同步性也难以把握。因此，超声波测深仪的推广使用成为了一种必然。GPS-RTK技术与HiMAX数字化测深仪的结合，完美融合了两种技术的优点，体现了测量技术服务生产、优化生产效率的宗旨。这种在实际生产中的实用性、创造性，为不可知的水下地形测量提供了一种全新的方法。

水下地形测量的内容主要分为定位和水深两部分。使用GPS-RTK的实时动态差分进行厘米级定位（±0.01m+1ppm），配合HiMAX数字化测深仪的实时探测技术获取水深（±0.01m+0.1%h），即可以确定水底任意一点高程：

其中，Gi为水底任意一点高程，Hi为与水底任意一点相对应的水面高程，h为水底任意一点至测深仪换能器距离，？驻h为测深仪换能器的吃水深度。

水底任意一点的平面位置，可以通过铅垂线引至水面上。通过在船体上固定GPS-RTK仪器确定其平面位置（Xi，Yi）和高程Hi，进而获取水底任意一点三维坐标（Xi，Yi，Gi），绘制水底地形。测量时，换能器底部中心点的坐标、高程由GPS-RTK测出，该点水深通过HiMAX数字化测深仪测出。因此，水底任意一点的高程Gi通过GPS-RTK实测的水面高程减去测深仪测量出的水深获取，GPS-RTK实时测量的换能器中心点坐标即为水底任意一点坐标。

2 水下地形测量实施

测量水下地形与常规地形测量一样，首先都是要进行测区控制网布设，并确保控制点精度符合相关技术要求。以下从几个方面对GPS-RTK技术结合HiMAX数字化测深仪在水下地形测量中的应用进行分析。

2.1 测区概况

本工程为某县范围内的一段河道，东西长约7Km，南北宽约800m。按照项目要求，需要对本段河道及其两侧河滩进行清淤开挖、方量计算。平面坐标系及高程系统均采用当地独立系统，测量仪器采用中海达V60GPS-RTK配合HiMAX数字化测深仪。

2.2 测前准备

首先，架设基准站，设置流动站。根据测区坐标系统，求取转换参数，移动基站时进行点校正。然后，将测深仪固定在测深船上，设置好测深仪相关参数，实现GPS-RTK与HiMAX数字化测深仪连接。由于此区域河道水深较浅，为了防止损坏换能器，采用绳索绑扎在船舷旁，一人时刻扶住测杆，水深显示小于50cm时及时倾倒测杆，避免损坏测杆底部探头。

2.3 数据采集

连接好设备后，开始进行必要的软件调试，确保GPS-RTK天线接收机与HiMAX数字化测深仪换能器在同一铅垂线，开始进行数据采集。

按照新建任务→坐标参数设置→设备连接→船型设置→设计航线→测深测量的流程进行操作，获取水底地形数据（图3）。

由于此段河道水深较浅，水面情况复杂，难以使用无人测船根据规划测线进行自动测量。需要进行人为控制，遇到水浅地方及时改变航向，甚至搁浅时人力辅助。当出现卫星信号失锁、水下障碍等特殊情況时，配合测深杆进行人工测量，在进行内业数据处理时，及时予以分析、修正。

2.4 数据处理

根据测深仪自带数据处理软件对采集的数据进行后处理。

2.4.1 水深取样

测量过程中，由于卫星信号失锁、水下障碍等特殊情况，可能会导致个别待测点水深为假水深。因此，需要先进行水深改正，改正错误水深值，再按照测量时间间隔、测线测点距离间隔或者手动选取进行取样。

通常采用的水深改正方法：（1）人工比对，沿测线仔细观察水深变化曲线，是否存在突变点。先查看解的状态或者是否有使用测深杆进行实测对比，两者均不合格后，参考该点附件的水深数值变化趋势予以改正。（2）人机交互，使用计算机自动滤波的方法进行分析比对。将初始数据水深突变点根据中值滤波法、加权平均法或者统计学法先进行自动改正，然后再人工进行比对，对算法处理错误的水深点进行纠正。

2.4.2 数据改正

数据采集前，需要对坐标转换参数、延迟、吃水、声速等进行典型水域试验，求取改正值，输入测深仪。如果直接进行数据采集，也可在获取水深后对相应参数进行数据后处理（图4）。

2.4.3 潮位改正

由于信标差分或SBAS差分解算的高程定位精度较低，无法满足实际生产需要。因此，必须通过潮位改正获取水底高程。潮位改正的方法通常是：固定水位法、单站改正法、区域改正法。

但是，本文所应用案例，是基于GPS-RTK与HiMAX数字化测深仪进行的实时测量。由于GPS-RTK在固定解的状态下，位置坐标精度可以达到厘米级，测深仪稳定情况下水深精度亦可达到厘米级。所以，可以通过 RTK 采集的水面高程来获取水底高程，而不必进行潮位改正。

2.5 地形绘制与成图

数据改正完成后，即可将数据导出。利用南方Cass成图软件进行展点、成图。按照拟定的路线进行检查，确保数据准确后生成等高线、三维图（图5）。

3 精度影响因素分析

测量过程中，由于水流速度、波浪大小、船行速度等难以稳定，会造成吃水深度不同程度的改变，因而会影响成果质量。

声速误差也是影响水深测量的一个难以控制的因素。因为声速随着水下环境（水温、水速、密度等因素）的影响，在时刻的变化。测量时尽量选择情况相对稳定时进行。

4 结束语

（1）架设基站的方法虽然信号稳定，但是受距离影响。完成一个区域后需要重新架设基站，重新求取改正数，相对麻烦。如果网络RTK能够解决水面上快速锁定，提供固定解的，对海洋测量成果质量会是一个不小的提升。（2）在测深仪软件改进过程中，如果吃水深度能够实现自动测量并实时输入测深仪，对成果质量一定会有较大的改善。（3）加强数据自动化研究，实现淤积数据监测，即可实现防洪、泄洪，有效避免灾害发生。（4）测量技术的根本是服务生产，如何研究提高测量效率是提高生产效率，节约成本的有效途径。

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