基于GPS的水下地形测量及实践分析

郑善磊

(山东水总有限公司，山东 济南 250000)

水下地形测量是一种重要的测绘工作，在桥梁、水库、码头、港口等施工建设中水下地形测量有着很大的作用，其主要工作内容为测量江河湖海以及近海水底点的平面位置以及相应的高程，以便绘制水下地形图，是现代水利工程中的一项重要工程技术[1]。这种测绘工作包括平面定位测量和水深测量[2]，平面定位测量可利用经纬仪、全站仪、GPS等进行，水深测量可利用测深杆、测深锤、声呐测深仪等进行。根据相关测深标准进行布点测深，通过相应的软件形成水下地形图。可以根据不同条件和情况选择合适的方式进行水下地形的测量工作。

1 平面定位测量

1.1 经纬仪测量

水下地形测量的初期常用到经纬仪，需要测站设置经纬仪，在河流堤坝上每间隔一段距离地势较高的位置埋一个预制好的水泥石标作为控制点。用控制测量的方法测出各水泥石标的平面坐标。经纬仪的工作效率较低，平面定位测量需要较多工作人员，工作进度慢。鉴于人工成本和测量精度，目前已经逐渐淘汰利用经纬仪进行水下地形测量。

1.2 全站仪测量

近年来，随着测绘科技的进步，测绘仪器不断更新，已很少采用传统的光学经纬仪前方交会法定位。全站仪已经广泛普及应用，全站仪是全站型电子测距仪的简称，是将电、光、机融为一体的高科技测量仪器，能够实现水平和垂直角度、距离和高差的测量。利用全站仪，按方位―距离的极坐标法进行定位。观测值通过无线通信可以立即传输到测船上的便携机中，立即计算出测点的平面坐标，与对应点的测深数据合并在一起；也可储存在岸上测站与全站仪在线连接的电子手簙中或全站仪的内存中。

1.3 GPS定位测量

GPS的英文全称是Global Positioning System，中文名称是全球定位系统，它是通过近地轨道卫星在全球范围内进行实时定位的一个系统。GPS-RTK差分定位技术是基于GPS定位的一种新的算法，它的基本原理是：GPS接收器放置在基站上以连续观察该位置上空可用的GPS卫星，并将观测数据通过无线电传输设备实时传输到移动观测站。在移动平台上，GPS接收器在接收卫星信号的同时，无线电接收装置接收由基站发送的观测数据，然后计算并显示流动站的三维坐标及其精度[3]。GPS-RTK技术原理见图1。RTK技术可大幅度提高实时定位精度，消除了传统GPS定位系统所面临的卫星钟误差、星历误差、电离层误差和对流层误差等难题。

图1 GPS-RTK技术的原理示意图

GPS技术在水下地形测量中能发挥更大的优势，它不要求通视、能够全天候作业、不受常规的技术条件限制，人工成本低，精度高，随着技术的进步，GPS设备费用已不再昂贵，使得GPS在陆地、水下地形测量领域的应用更加广泛。近年来，水下地形测量的技术大多都是采用GPS-RTK获取平面坐标、测深仪获取深度数据的基本模式[4]。

2 水深测量的方法

水下地形测量主要的内容之一就是水深测量。它是测定水底某点平面位置对应其在水面以下的深度，是河底、湖底、海底及其他水域地形测量的基本手段，根据测量工具的不同，水深测量可分为人工测量、声呐测量和激光雷达测量。

2.1 人工测量

在水下地形测量中，最早的测深工具是测深杆和测深锤。测深杆、测深锤等机械式测深仪器的特点是可直接量出水底与水面之间的距离，方法简单直接，但随着深度加大，观测难以实施，测深精度也难以保证，导致在水下地形测量中，传统的人工测量逐渐被淘汰。尽管现在的测深设备主要是测深声呐，但是在水草密集的区域，或者极浅滩涂等声呐设备无法工作的地方，人工测量仍然在发挥作用。

2.2 声呐测量

声呐测量是根据超声波在均匀介质中以均匀速度传播并在不同介质界面反射的原理，通过特定算法得到水深数据。在水深测量和航海领域中声呐测量应用广泛。测深声呐分为单波束测深声呐和多波束测深声呐。

2.2.1 单波束测深声呐

单波束测深声呐一般由显示器、激发器、接收器、发射换能器、接收换能器和电源组成。该设备需要安装在船底，设备组成见图2。

图2 单波束测深声呐设备原理示意图

单波束测深声呐的发射换能器只能发射一束声波脉冲。测量船安装的单波束测深声呐向水下发射声波脉冲，声波经水底的反射返回并被接收换能器接收。声呐测量水深相应的计算如下：

H=Ct/2

(1)

又因D=H+h，根据式(1)可得

D=Ct/2+h

(2)

式中H——换能器和水底之间的距离，m；

C——声速，m/s；

t——声波发射到接收所经历的时间，s；

D——水面和水底之间的距离，m；

h——换能器的吃水深度，m。

传统的单波束测深声呐只能测量船正下方的水深，为了获得令人满意的水下地形，通常设置一些平行的测线。即使布设很密的测线仍不能保证对水下的全覆盖，测线之间的水下地形，特别是一些孤立的特征地形很容易被漏测。因此，多波束测深声呐应运而生。

2.2.2 多波束测深声呐

多波束测深声呐(Multibeam Echo Sounding Sonar)也称为多波束测深仪，亦称为条带测深系统，能以条带测量方式，对测量区域进行全覆盖、高精度的测量，克服了单波束测深声呐只能沿着测线测量水深的缺点。它把测深技术从原来的点、线测量扩展到面状测量，从二维测深转化为立体测深，推动水下地形测量技术的发展。高精度多波束测深系统有“水下摄影机”“水下CT”之称。在多波束测深声呐系统中，换能器配置的是单元阵列，通过改变不同单元的相位值，在发射端就会发射出不同角度的多个波束，这样，发射一个波束就会在接收端收到多个波束[6]。多波束测深声呐的测深原理示意见图3。

图3 多波束测深声呐测深原理示意图

由于多波束测深声呐系统与常规单波束测深声呐系统相比，具有全覆盖、无遗漏的优势，在精度、分辨率与水下地形成像质量上有大幅度的提高，改变了传统的水下地形测量技术按比例尺作业的模式。

2.3 激光雷达测量(LIDAR)

LIDAR的英文全称为Light Detection And Ranging，中文名称激光雷达测量。激光雷达测量的原理是从飞机腹部向水面垂直发射激光，一般发射特定波长的两种激光，飞机上的激光接收器会计算两束发射激光接收的时间差，根据光的传播速度和传播时间求得水深。机载激光雷达的优势在于获取快速，可应用于大面积、海岸线、船只无法进入的区域等场所。但由于激光的特性，对于水质的要求很高，水质浑浊的区域无法使用激光雷达，因此该技术尚处于小范围试验阶段。

3 水下地形测量方式对比及实践分析

3.1 测量方式选择

综上所述，目前主流的水下地形测量方式为GPS-RTK定位系统结合多波束测深声呐借助强大的数据图形分析软件进行水下地形测量。GPS-RTK的多波束测深系统主要分为三个部分：ⓐ声学系统：包括多波束换能器阵、多波束信号处理系统；ⓑ功能设备：提供平面坐标的GPS-RTK卫星定位系统，用以提供测量船横摇、纵摇、艏向、升沉等姿态数据的姿态传感器，用以提供所测海区潮位数据的验潮仪，用以提供所测海区声速剖面信息的声速剖面仪等；ⓒ储存及显示设备、数据处理软件及其他相关软件[7]。

受波浪和潮汐的影响在进行水面深度测量时，水深数据需要经过换能器涌浪、吃水、水位、声速等校正才能得到相对于某一深度基准面的水深，无论是单波束还是多波束等测深方式，只要使用传统有验潮测量方式，这几项的校正都影响到了水深测量的最终精度。近年来基于GPS-RTK技术提出了无验潮水深测量方式。无验潮无须人为进行水位观测，节约人工和观测成本；有效地消除测量船只受波浪作用而上下浮动的影响;避免潮位观测引起的水位校正误差，并获得即时水位[8]。多波束测深系统在工作时，由GPS-RTK定位系统将基准站的载波相位差分值发给移动台，改正移动台接收到的载波相位，再解算移动台的坐标[9]。

为了对比基于GPS-RTK的水下地形测量模式的平面定位精度，采用Topcon GTS-1002全站仪进行平面坐标定位实验，其中GPS-RTK的天线与全站仪目标棱镜设置在测量船的同一竖向点上，保证其测量的值是同一点的坐标。测量点的数据在采集时，统一听从调度员指挥，以保证数据采集的同步。

3.2 工程实践分析

3.2.1 工程测量

本文选择某港航道水下地形测量中的应用进行对比分析和总结。该航道长约21km，航道的宽度约为260m，选择1∶2000比例尺进行施测。航道情况见图4。

图4 航道示意图

GPS-RTK定位系统采用X10智能RTK测量系统，结合Sonic 2022多波束测深系统进行水下地形测绘，工程测量使用航标测量船，船长40m，船宽8.8m，吃水2m，动吃水0.06m。工作前使用X10测定坐标转换参数，利用声速测试仪将水域的声速剖面曲线一同录入到采集软件系统中，在港口池里选择平坦的以及地势变化较大的区域分别设立一条平行的测线进行多波束安装校正，包括横摇、纵摇以及艏摇等。工程测量时GPS-RTK多波束测深系统选择100°扫宽，调入已定的网格和测线，运行系统的各个仪器设备，当航标测量船进入测量区域并沿着已定测线航行时，各个仪器设备开始实时采集测量数据，同时形成数据文件记录保存在电脑里。数据采集由Qinsy软件配合Qloud2.3数据采集软件完成，本次扫测完成后，经现场观察及后期数据回放检查，扫测范围内测线覆盖良好，没有出现空白区，多波束扫描测量的三维图见图5。后期图形处理软件采用HYPACK软件，最后生成1∶2000航道水下地形图。

图5 1∶2000水下地形三维图

3.2.2 成果对比分析

为了验证GPS-RTK多波束无验潮测深技术的高效性、准确性及可靠性，采用以下四种方式进行对比分析：ⓐ系统内符合验证；ⓑ系统间平面定位精度误差对比；ⓒ系统间水深测量精度误差对比；ⓓ系统间工作效率对比。

a.系统内符合验证。测量前需布设多条交叉重叠的测线进行水深测量，采用相对精度评估的方法，摘录其中1958个重复测量点进行误差分析。经过统计分析本回测量有96%的测深值偏差小于0.1m，100%的测深偏差小于0.3m，符合国家标准及相关规范要求。多波束测深重复测深点的统计结果见表1。

表1 多波束测深重复测深点统计

b.基于GPS-RTK多波束测深系统与全站仪平面坐标定位误差对比。在GPS-RTK测深仪完成水下地形测绘后，单独对GPS-RTK与全站仪的坐标定位进行对比，将Topcon GTS-1002全站仪设立在港口码头的控制点上，用港口旁GPS参考站为后视方位进行坐标校对，测量船上X10设备的天线的正下方设置三棱镜，以便GTS-1002全站仪可以瞄准观测。X10智能GPS-RTK定位系统开启手动录入模式，船上测量员和全站仪测量员配置对讲机，第三方调度员通过对讲机确认测量点，同步进行数据记录，由于全站仪对船速要求较高，测量船的船速需控制在2m/s以下才能满足1∶2000的定位要求，此次测量港口同一水域的8组数据，测量结果见表2。由表2可知，X10智能GPS-RTK系统取得的坐标点位，其精度可达厘米级，各点位之间不存在误差积累，与GTS-1002全站仪取得结果符合度高,充分表明，在限制船速牺牲时间成本的情况下，GPS-RTK的测量精度同全站仪一致，若提高船速到6节以上(3m/s)，提升工作效率，则全站仪测量员无法准确跟踪观测，亦无法保证测量精度，而GPS定位系统因其特殊的定位技术可以满足要求。

表2 GPS定位结果与全站仪定位结果的对比

c.Sonic 2022多波束测深系统与HY1602双频测深系统间测量误差对比。在航道较平坦区的水下，采用双频单波束测深和GPS-RTK多波束无验潮测深两种方法分别对同一片区域(测区范围200m×500m)进行测量。将产生的两组数据在HYPACK中进行点对点对比，见图6。

其中，浅色数据点为Sonic多波束测深仪测得的，深色数据点为HY1602双频单波束测深仪测得的。从两组原始数据中提取坐标相近的60个数据点(相差不大于0.3m)，将它们的水深值进行比较，对比结果的精度符合规范的要求，判定是合理的。多波束测深仪与单波束测深仪对比结果见表3。

图6 Sonic 2022多波束测深仪与HY1602双频测深仪测深数据对比

表3 多波束测深仪与双频测深仪的测深数据对比

d. Sonic 2022多波束测深系统与HY1602双频测深系统间工作效率对比。在相对平坦的区域，选取测区800m×300m范围，水深20～50m之间，双频测深仪按照25m间距布设测线，可布设300m长测线30条，多波束测量布设测线宽度可以按照5倍的最低水深去设置，测线采集重复度按35%设定，可布设800m长的测线6条；使得测量船的船速保持在6节左右，在这种工作条件下，多波束测深仪的单位面积测量时间为2.42h/km2，双频测深仪的单位面积测量时间为5.83h/km2，由此可知，同等背景条件下，多波束测深仪比双频单波束测深仪的工作效率要高。

4 结 语

在相同条件下，对比全站仪和GPS-RTK平面定位精度以及对比单波束和多波束测深系统的测深精度，可看出基于GPS-RTK的多波束测深系统具有高效率的特点，它们的结合可使水深测量作业测量范围更大、精度更可靠；同时，可以减少日益增长的人工成本，不要求通视条件，全天候作业的方式，也极大地推动了水下测绘的发展。当然，目前GPS-RTK结合多波束测深系统尚存在一些问题需要后续的研发工作者去解决，如GPS基准站的抗干扰性需要提高，GPS-RTK定位频率和测深仪的测深频率的匹配性，测深软件的三维成像准确性等。本文通过阐述平面定位和水深测量的传统及先进测量方式，经过工程实践分析和数据比对，确认基于GPS-RTK的多波束测深系统能够满足水下地形测量的精度和效益要求，未来必将成为水下地形测量的普遍应用技术。