GPS在水下地形测量应用综述.doc

GPS在水下地形测量应用综述侯淑芬（华南农业大学信息学院，广州，510642）摘要： GPS定位具有速度快、精度高、实时性等特点，使水位观测和水下地形点高程的测量变得可靠、简便易行。许多水下地形测量已采用GPS RTK 的模式。本文综合介绍利用GPS进行水下地形测量的原理，误差来源与改正，以及其在水库测量、水下淤积测量、航道测量、海洋工程中的具体应用。关键词： GPS,RTK,水下地形1、引言在水利工程中，水下地形测绘具有重要的意义。近几年来, 随着GPS载波相位差分技术( RTK)的发展, GPS 技术越来越成熟, 已被广泛应用到数字化测图中。有时候水利工程建设初期, 由于所处测区多为山地, 通视困难, 地形复杂给传统野外测绘工作带来了一定的困难。利用动态GPS定位技术的优越性, 测图速度快和精度高, 能消除累积误差, 操作简便, 用人少等优势取代了原有的平板仪测图及全站仪测图。工作效率和经济效益明显得到大幅度提高。2 、概述2.1水下地形测量现状水下地形测量, 就是利用测量仪器确定水底点的三维坐标的过程, 主要工作包括平面定位和水深测。目前水下测量技术有如下几种: 1) 光学定位法, 即光学经纬仪配合测深仪法。这种方法由于地球曲率、通视及测站条件的限制难以满足需要, 且精度低, 并同时要进行水位测量。2) 地面无线电定位技术配合测深仪法。这种方法设备简单, 定位迅速,精度可靠, 但仍需进行水位测量。3) 采用测量机器人+双频数字测深仪, 极坐标法自动化测量模式。4) GPS技术在水下地形测量中的应用.这种方法不提高了精度,加快了作业速度, 可保证全天候作业。随着全球定位系统GPS技术的飞跃发展, 水下地形测量技术已基本定型于采用GPS获取平面坐标, 测深仪获取深度数据的基本模式【1】。2.2GPS概述差分GPS(DGPS)是最近几年发展起来的一种新的测量方法。实时动态(Real Time Kinematic）简称RTK)测量技术。实时动态测量的基本思想是,在基准站上安置一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续地观测,并将其观测数据,通过无线电传输设备,实时地发送给用户观测站。在流动站上,GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线电接收设备, 接收基准站传输的观测数据,然后根据相对定位的原理,实时地计算并显示流动站的三维坐标及其精度【2】。优点1） 测站之间无需通视，测站上空必须开阔，以使接收GPS 卫星信号不受干扰。2） 定位精度高。在小于50km 的基线上其相对定位精度可达1210- 6，而在100km500km 的基线上可达10- 610- 7。3） 观测时间短全天候作业。在小于20km 的短基线上，快速相对定位一般只需5min 观测时间即可。4） 提供三维坐标。GPS 测量在精确测定观测站平面位置的同时。可以精确测定观测站的大地高程。5） 操作简便。GPS 测量的自动化程度很高卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成【3】。2.3测深仪的基本原理测深仪是利用声波反射的信息测量水深的仪器。回声测深仪的工作原理是利用换能器在水中发出声波， 当声波遇到障碍物而反射回换能器时， 根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度， 就可以求得障碍物与换能器之间的距离。超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波， 从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距D=Ct/2， 式中的C 为超声波波速。在使用时， 如果温度变化不大， 则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高， 则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后， 只要测得超声波往返的时间， 即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理【3】。3 、GPS定位用于水下地形测量3.1工作原理将GPS流动站的天线与测深仪的换能器安置在同一平面位置, 同时布置在一条小船上, 保证RTK的数据与测深仪数据同步传输到PC, 作业时流动站根据基准站通过电台发送的改正数实时改正自身的测量值, 获得点位的厘米级精度的平面坐标并实时传送到PC, 同时数字测深仪获取该平面位置处的水深数据发送到PC, PC 根据观测的水面高程计算出该平面位置处水下点的高程坐标,与RTK获得的平面坐标一起组成水下点的三维坐标。然后将数据导入数字成图软件就可以编辑生成需要的水下地形图【4】。3.2作业方法水下地形测量的作业系统主要由GPS 接收机、数字化测深仪及相关软件等组成。测量作业分三步来进行，即测前的准备、外业的数据采集和数据的后处理。1）测量前准备工作收集与所测航道有关的地图, 准备必要的工具、绳索、吊具用来绑扎固定测深杆。测量船驾驶员要选择熟悉航道的有丰富经验的船长。另外,要及时观测水尺或与水文站联系以获取测量时水位资料【2】。2）求解GPS 转换参数， 架设好基准站， 并检验正确性。将测深仪探头固定在船上， 并将GPS 接收机、测深仪和笔记本电脑连接好， 打开电源，设置好记录设置、定位仪和测深仪接口、接收机数据格式、测深仪配置、天线偏差改正及延迟改正。3）水下地形施测。开动测量船, 在计算机显示屏和外接显示器上显示出测船的示意图像、测船的实时动态点位及水深数据4）由软件完成展点、等深线生成、等深线注记等工作, 保存图形, 并以任意需要的比例输出图形【5】。4 、误差来源与数据处理4.1误差来源水下地形测量的精度包括平面的定位精度和水下地形点的高程测量精度。不考虑起始点误差的影响，测量精度主要取决于以下3个方面。1）高程转换精度2）测量精度3）其他因素的影响：船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK 高程的可靠性等因素造成的误差的影响6, 这些误差远远大于RTK 定位误差。4.2数据处理1)船体摇摆姿态的修正船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正, 修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数, 通过专用的测量软件接入进行修正。2)采样速率和延迟造成的误差定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正, 修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到, 也可以采用以往的经验数据6。3)RTK 高程可靠性的问题RTK 高程用于测量水深, 其可信度问题是倍受关注的问题。在选择设备时, 应尽量选择大量程、高灵敏度的测深仪。此在实际测量工作中应视任务性质的不同而采用不同的测深设备为了确保作业无误, 可从采集的数据中提取高程信息绘制水位曲线( 由专用软件自动完成) 。根据曲线的圆滑程度来分析RT K 高程有没有产生个别跳点, 然后使用圆滑修正的方法来改善个别错误的点。5、具体应用5.1水库地形测量李建平将各辐射的控制点作为GPS基准点，移动台放置在快艇上开启计算机网络功能(计划线) ,设定取点间距,可按时间间隔取点,也可按距离间距间隔取点，随艇测绘人员可调整快艇行使方向,并沿某一网格线和一定的船速行驶，按设定的间距自动采点、记录。当显示距离距基准站距离接近5km时,应按网格间距换人相临航线,并沿该航线返回【7】。沈诚学认为2台双频动态GPS 接收机，1 台设于陆地的基准站上，另1 台设在测量船上作为流动站。基准站大致设在测区的中央，GPS 流动站与基准站的最大距离控制在5 km 以内。测量船自上游向下游逐条断面测量。操舟者听从岸上人员的指挥将船动力滞留在拟测量的断面方向，测量船上测深仪读数时刻必须与流动站测量手簿记录同步，通过对讲机传报，由岸上人员记录测深仪测深读数和对应的流动站测量点序号【8】。赵学民认为基准站GPS接收机天线应设置在规划好的己知坐标点上, 移动站根据任务不同所采用的配置不同, 操作也不同。陆地测量包括地形测量、断面测量, 操作也略有不同。地形测量可以根据地形情况, 采用固定时间间隔采集数据, 也可以采用走停式测量方式, 断面测量增加断面导航功能, 使测量员沿断面线测量。在测量某一条断面线时, 调用已经设置好的该断面端点信息, 在控制器上形成一条断面导航线, 测量员可以沿线作定时间步长动态或走停式测量。控制器上可以显示偏离断面线的距离误差、测量点坐标和误差值【9】。5.2淤积测量目前大部分水库对水库淤积情况不了解，淤积量、淤积分布规律没有系统准确的资料，影响了水库效益的发挥。王毅认为可以利用双频回声测距仪进行水下淤泥厚度测量。用高频通道探测较浅的界面, 用低频通道探测较深的界面。水下地形施测采用横断面法,断面方向大致与水边线垂直。断面间距符合规范要求,断面基点按测站精度施测。采用测深点粗差剔除软件(Cosa_ sxdxcc)用断面法和圆域搜索法相结合的综合方法剔除测线上的异常点和粗差点。依据淤泥表面及淤泥底面的观测数据,可以构造出淤泥表面和底面的TIN模型,淤泥表面和底面之间的体积即为淤泥量【10】。蒋志文等认为可采用GPSSDE 技术应用于水库库容测量和淤积形态的分析模拟，水下地形施沿库区采用“区域布设法”布设好测线，按照水下地形测量规范，布设一系列间距为20m 平行测线，沿测线方向的测点密度为5m，库尾及近坝、近岸区域，测线、测点密度加密。将船速定为3.0m/s 左右，可保证测量精度【11】。刘永川等认为测线测量可用GPS 的GO AND STOP动态测方法定位, 回声测深仪测量水深确定水库库底点的坐标。选择一靠近待测测线的固定站安置固定接收机，在距其5m 左右选择一交换天线点安置流动接收机。沿航线方向每隔一定的距离（如100m） 或者根据水深的变化选择测量点每个点上停船30-60s，接收机记录2-4个历元数据, 同时记录水深数据。到达对岸时, 在已有的固定点上安置流动接收机, 记录几个历元数据。此方法即使在4-5 级风的情况下,也能取得良好的结果【12】。5.3航道测量路武生认为测量航道用差分解,需要2台GPS卫星信号接收机,分别设置为基准站和流动站。如不设基准站,只需1台流动GPS接收卫星信号进行自主解记录。测量船沿航道中心线行驶,速度小于10km/h,纵断面与横断面点间距据需要设置,一般纵断面设置为隔20m或30m记录一点,横断面设置为2m 5m,遇到船闸、高压电线、桥梁、码头等临跨河建筑物或地理位置时,在GPS天线靠近或到达其下方时,记录下点号,并用相应符号(图例)在电脑屏幕显示的航迹图上的正确位置予以标记。用外业软件对数据进行水深编辑、水位改正、导出水深点和航道标志、计划线、航道注记等操作后进入内业编辑。运用内业软件引入航迹线、水深点、航道标志、航道注记等【13】。程伟认为湖区航道工程利用差分GPS 进行施工定位, 首先在某一已知坐标点上设立基准站, 然后在各施工船舶上设立移动站。结合以往的水上测量经验, 在航道带状测区两边设置活动导向标志, 租用当地小渔船作为导向标志, 导向标志利用GPS 定位在实测断面的两端【14】。张留柱等认为浅水区和嫩滩区可用气垫船测量河道地形点, 未过水的滩区可用便携GPS测量。通过计算机预先规划测量线, 当测船达到测量线, 计算机自动记录,或向计算机输入断面两端点坐标,显示断面线, 驾驶员无须观察岸上任何断面标志即可控制测船沿断面航行。为了提高地形点的测量精度, 可预置平面和高程精度指标后在要采集的地形点上停留数秒，当达到设定的点位精度指标后仪器自动采集数据。气垫船可以40km/h 速度在断面上航行, 便携站在断面上测量速度基本等于行人沿断面滩区行走的速度, 测量船以15km/h左右的速度行驶,。利用系统的机动性, 可以很方便地增加临时断面, 以满足不同测量精度情况下对断面密度的要求。不必再借用断面或用目估法测量, 从而极大地提高了断面测量成果的精度【15】。5.4海洋工程随着人类对地球科学研究的不断发展，对海洋的研究也越来越深入，大面积的海图测绘、深海水下地形测量、近岸浅海地区海底滩涂测绘等工程项目也越来越多。GPS在测量领用, 更为海洋测绘开拓了新途径。谢荣安认为对于近海海域，采用在岸上或岛屿上设立基准站，采用动态相对定位技术进行高精度海上定位。在船上安装差分GPS 接收机和测深仪。测量船按预定航线利用差分GPS 导航和定位，测深仪按一定距离或一定时间按照事先设定自动向海底发射超声波并接收海底反射波，同时记录GPS 定位结果和测深数据【16】。顾斌认为海道测量是进行水下地形图测绘的基础，可以通过海底控制测量来测定海底控制点的空间坐标或平面坐标。由于GPS 可以快速、高精度的对目标物进行定位，可以对水深仪器进行单点定位，但其精度只有几十米，只能作为远海小比例尺海底地形测绘的控制；对于较大比例尺测图，可应用差分GPS 技术进行相对定位【17】。许文彬认为钻探孔位海拔高程的确定测量中待测控制点的布设采用RTK 静态测量的方式, 与测区内已知GPS高等级控制点进行联测而获得。首先在已有控制点上架设基准站, 在船上装配RTK 流动站和测深仪，在布孔船只到达预设孔位时,采集该点三维坐标和水深值, 并根据实际海况, 利用船体姿态改正仪记录船体瞬时摇摆角求得实际孔位标高。通过RTK 得到实时的潮位, 利用相应软件将实时的潮位改正加入到接收的数据中, 再加入涌浪改正, 就可以直接利用绘图软件生成工作区钻孔布设图等图形文件【18】。6、结语GPS技术的应用是无可限量的, 与测深仪结合的方法, 已经在海上及大型河流的水下地形测量中得到应用,与传统的测量方式相比， 具有较大的优势，特别是在面积较大， 水下地形复杂， 水深较大的水域， 水下地形测量简单、方便、快速、高效、可以全天候作业、同时大大提高了水深的测量精度。随着天然气和石油长输管道工程的大型、特大型河流穿越的出现, 其在石油、天然气工程中也将得到广泛的应用。但受GPS 卫星信号的影响， 目前利用GPSRTK 配合测深仪进行水下地形测量还有一定的局限性， 在遮挡严重的地区如陡峭的峡谷、河道等地方还不能完全取代传统的测量方法， 还必须结合全站仪进行测量。但随着GPS RTK 技术的不断发展， 利用GPS RTK 配合测深仪进行水下地形测量将有更加广阔的前景。参考文献1杨飞, 马耀昌. 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