GPS 和测深仪组合技术在水下地形测量中的应用

2020-04-13孟海豹

工程技术研究 2020年3期

孟海豹，石峰

（中国水电十五局，陕西西安 710000）

工程勘察和施工前，进行水下地形测绘尤为重要，因为测量水深得到的水下地形数据，是工程顺利进行的重要基础。水下地形测量时，通过垂直航线测得水下地形横断面，得出水量流径；中央航道可以测算出水面纵断面，进而计算得到水面的坡度数据，就可以得到工程的水文数据成果，对规划、设计和工程施工意义重大。文章采用LeicaGPS-RTK 测量技术，结合中海达测深仪，可以准确、快速测出水下地形，且数据结果可靠准确。

1 基本原理

水下地形测量由定位测量和水深测量两部分组成，通常采用GPS 卫星定位法进行定位测量，水深数据通过回身测深仪得到，如图1 所示。

图1 测深仪工作原理

工作时，超声波中的换能器先发射信号，信号在障碍物表面反射回来，再次发射回到接收换能器，计算机利用前后信号的时间间隔，测算水深：

式中：V为水中声波传播的速度；t 为发射、接收信号之间的时间间隔。

水底高程：

式中：HSD代表水底高程，m；H 代表通过GPSRTK 测量得到的水面高程，m；D 代表换能器的水底高差，m；Δ D代表换能器吃水深度，m。

2 影响因素分析

定位精度和测深精度共同影响水下地形测量精度。布尔沙模型用来转换坐标，精度可达2～3cm；采用徕卡GS14 定位仪器，RTK 测量水平精度可达8mm+1ppm，垂直精度可达15mm+1ppm；利用中海HD-370 测深时，测深精度可达±1cm+0.1%h。忽略坐标转换模型误差、仪器精度影响，风浪和船速是影响外业数据的主要因素，如图2 所示。

图2 误差分析示意

2.1 风浪

风浪较大时，测船起伏摇摆，会造成换能器和天线间的固定联杆倾斜，而联杆倾斜就会影响垂直方向和平面精度，如图2（a）所示，因此定位的误差Δ S：

垂直方向上的误差Δ H：

式中：θ 为联杆倾角，°；L为联杆长，m。

由上看出，L及θ 的大小影响Δ S及Δ H的大小。实际作业中，通常使联杆高度不超过2m，并在风浪较小船体平稳时施测，使θ 值保持较小范围，对Δ S和Δ H影响可忽略不计。

2.2 船速

声波传播会引起换能器的正常工作，接收信号将产生水平位移差，如图2（b）所示。在作业时，当测深仪声波速度调至1500m/s，根据声波的传播原理，入射角和反射角相等，所以

式中：v 为船速；d 为水平位移；D 为声波脉冲覆盖水底范围。

由上可知，在船速≤30km/h、水深≤50m 时，d≤0.27m，H2≈H1，不进行船速改正即可基本满足大部分水下地形测量精度要求。实际工作时船速加快会引起噪音变大，回传信号就会随之变弱，水深测量的精度就会受到影响，因此船速的选择要兼顾精度与效率。

3 实例分析

选取水下地形测区为安徽合肥某水域，测区内包括沟槽、深潭和边滩及水下浅滩等不同的水下地貌单元，水下地形较为复杂。水下地形测量基本配置包括定位装置和测深装置，定位装置采用徕卡GS14 仪器基准站和流动站各一台，测深装置采用中海达HD-370 型数字测深仪。

测量作业流程大体可分五步，以下具体进行说明。

3.1 参数求取

作业开始前应确立WGS-84 坐标与工程坐标系转换关系，采用Bursa 模型利用测区已知控制点采用四参数法或七参数法求得参数。

3.2 仪器设置

测深仪设置包括记录限制、端口分配、发射频率、定位仪数据格式、计划线等，GPS 设置坐标系、投影、图定义、转换参数等，设置完成后将数据线连接GPS 主机和导航软件。

3.3 调入计划线

根据工程需要，在软件中设置测区范围，然后调入计划线，指导测船航行路径。

3.4 外业数据采集

架设GPS 基准站，完成参数改正后通过电台发射差分信号，然后在测船上安装GPS 和测深仪组合系统，确认GPS 流动站信号接收成功以及组合系统数据传输正常，开动测船，在测深仪显示屏上实时、动态地显示出测点位置，指导测船按照计划线航行，保证测区范围内无测量遗漏区域。另外，对于水下地形起伏较大区域，加密地形点测量。