多波束測(cè)深系統(tǒng)與GPS-RTK技術(shù)在庫(kù)容曲線測(cè)量中的應(yīng)用

王瑞星

（河北省衡水水文水資源勘測(cè)局，河北 衡水 053000）

多波束測(cè)深系統(tǒng)與GPS-RTK技術(shù)在庫(kù)容曲線測(cè)量中的應(yīng)用

王瑞星

（河北省衡水水文水資源勘測(cè)局，河北 衡水 053000）

將多波束測(cè)深系統(tǒng)與GPS-RTK技術(shù)相結(jié)合，水下庫(kù)容量和水上庫(kù)容量都能得到測(cè)量，是一種新的嘗試。通過對(duì)衡水湖部分區(qū)域的試驗(yàn)性測(cè)量，分析了其可行性；探討了兩者結(jié)合的一些技術(shù)處理方法、測(cè)量過程及在測(cè)量當(dāng)中遇到的問題，并分析了測(cè)量誤差來源。

多波束測(cè)深系統(tǒng)；GPS-RTK技術(shù)；結(jié)合；測(cè)量；庫(kù)容曲線

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)

多波束測(cè)深系統(tǒng)是水聲技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成，除其系統(tǒng)本身外，還包括定位、羅經(jīng)、船姿傳感器、聲速剖面儀、數(shù)據(jù)采集工作站和繪圖儀等配套設(shè)備［1］。其儀器體積相對(duì)較小，測(cè)量精度高，覆蓋范圍廣，實(shí)現(xiàn)了由線到面的飛躍［2］。

測(cè)深時(shí)，載有多波束測(cè)深系統(tǒng)的船，每發(fā)射一個(gè)聲脈沖，不僅可以獲得船下方的垂直深度，而且可以同時(shí)獲得與船的航跡相垂直的斷面內(nèi)的十幾甚至上百個(gè)測(cè)深點(diǎn)［3］。

多波束系統(tǒng)的換能器是由多個(gè)換能器單元組成的陣列，工作時(shí)能同時(shí)發(fā)射多個(gè)波束和接收多個(gè)波束，對(duì)海底進(jìn)行條帶式測(cè)量。

多波束測(cè)深系統(tǒng)是利用換能器向海底發(fā)射一個(gè)與船行駛方向垂直的超聲波束，接收時(shí)，經(jīng)過適當(dāng)處理形成與發(fā)射波束垂直的許多個(gè)預(yù)成接收波束，從而當(dāng)測(cè)深系統(tǒng)在完成一個(gè)完整的發(fā)射接收過程后，形成一條由一系列窄波束測(cè)點(diǎn)組成的，在換能器正下方垂直航向排列的測(cè)深剖面。

2GPS-RTK技術(shù)

GPS-RTK（Real-time kinematic）系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站、移動(dòng)站和通訊電臺(tái)3部分組成［4］。RTK即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法，是一種當(dāng)今測(cè)量新型常用的GPS測(cè)量方法，能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度，采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率［5］。中海達(dá)GNSS RTK系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、便于攜帶、測(cè)量范圍廣的特點(diǎn)。

3 測(cè)量過程

3.1 地點(diǎn)選擇及測(cè)量區(qū)域簡(jiǎn)介

測(cè)量地點(diǎn)選擇在衡水湖，衡水湖坐落在河北省衡水、冀州、棗強(qiáng)之間的三角地帶，湖面積75km2。由于湖面積較大，測(cè)量工作量大，僅選擇小部分區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量范圍選擇在以衡水湖水文站為起點(diǎn)，西至三生島的東邊界，南至衡水湖觀光碼頭的區(qū)域，面積 1km2。

3.2 坐標(biāo)系選擇

為確保測(cè)量精度，本次測(cè)量將多波束測(cè)深儀與GPS-RTK均選擇為北京54坐標(biāo)系，并且以GPSRTK為參照，先將GPS-RTK的移動(dòng)站放置與多波束換能器重合的位置，取得此點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后與多波束測(cè)深儀的顯示坐標(biāo)相比較，以GPS-RTK的坐標(biāo)為準(zhǔn)，對(duì)多波束測(cè)深儀的坐標(biāo)進(jìn)行x值與y值的修正，確保兩者的坐標(biāo)相吻合。

由于多波束測(cè)深儀的GPS定位系統(tǒng)處于水下?lián)Q能器的前方，兩者不處在同一位置點(diǎn)上，因此需要對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)的GPS進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，相對(duì)于換能器進(jìn)行修改，使多波束測(cè)深系統(tǒng)的GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為換能器位置的坐標(biāo)。

3.3 水下測(cè)量（多波束測(cè)深儀的測(cè)量）

由于受到載有多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)船吃水深的限制，因此對(duì)于離湖岸稍遠(yuǎn)，達(dá)到測(cè)船吃水深要求的區(qū)域，使用該儀器進(jìn)行勘測(cè)。首先確定好測(cè)量區(qū)域，然后布置好測(cè)船行駛的路線。測(cè)量時(shí)，多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量范圍約為水深的3.4倍，是與船走向垂直的條帶狀區(qū)域，水下地形情況、航向、瞬時(shí)坐標(biāo)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綔y(cè)船的計(jì)算機(jī)上，能夠較好地控制測(cè)量線路。

本次測(cè)量的衡水湖部分區(qū)域水下地形較為平坦，水深在2～3m，而測(cè)量區(qū)域東部水深較大，最大水深9m，因此，測(cè)量著重對(duì)區(qū)域內(nèi)湖底較深、深淺交界的地帶進(jìn)行仔細(xì)測(cè)量，確保探測(cè)區(qū)域內(nèi)較深的地帶都能探測(cè)到；對(duì)于較為平坦的地帶，在確保沒有較大水深的前提下，進(jìn)行大致測(cè)量，漏測(cè)的較平坦區(qū)域，后期使用軟件對(duì)漏測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)，在不影響測(cè)量精度的前提下，提高了測(cè)量速度。

3.4 岸上測(cè)量（運(yùn)用GPS-RTK技術(shù)的測(cè)量）

使用GPS-RTK技術(shù)的測(cè)量，主要針對(duì)岸上部分、水邊及水深較淺的測(cè)量船達(dá)不到的區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，對(duì)于岸邊的轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行控制，同時(shí)還起到與多波束測(cè)深儀進(jìn)行坐標(biāo)校核的作用。

GPS-RTK測(cè)量的點(diǎn)密度較稀，可在后期用軟件進(jìn)行插補(bǔ)。

4 后期內(nèi)業(yè)處理及成果

4.1 數(shù)據(jù)插補(bǔ)

測(cè)量使用的處理軟件為RESON多波束測(cè)深儀配套的PDS2000軟件，將GPS-RTK測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，與多波束測(cè)深儀數(shù)據(jù)建立關(guān)系后用PDS2000軟件打開，顯示出的測(cè)量數(shù)據(jù)界面如下：帶狀區(qū)域?yàn)槎嗖ㄊ鴾y(cè)得，上方點(diǎn)為GPS-RTK測(cè)得。數(shù)據(jù)漏測(cè)部分用PDS2000中的插補(bǔ)功能進(jìn)行插補(bǔ)，獲得完整的測(cè)量區(qū)域數(shù)據(jù)，如圖1。

圖1 完整試驗(yàn)測(cè)量區(qū)域

4.2 庫(kù)容量的計(jì)算

以衡水湖水位20.50m為基準(zhǔn)，由于衡水湖水文站東側(cè)與滏東排河連接的大趙退水閘閘門距水面高為0.70m，因此假定的最高水位為21.20m，最大庫(kù)容為水位21.20m時(shí)的庫(kù)容量。

4.3 庫(kù)容曲線的測(cè)定

所測(cè)得的水深最大為9.20m，設(shè)定水位11.30m時(shí)為湖干，庫(kù)容量為0。由此，水位以1m遞增，計(jì)算得各水位級(jí)的庫(kù)容量，再據(jù)此數(shù)據(jù)計(jì)算出測(cè)量區(qū)域范圍的庫(kù)容曲線，如圖2。

圖2 測(cè)量區(qū)域庫(kù)容曲線成果

4.4 測(cè)量誤差來源

測(cè)量試驗(yàn)的誤差主要來源于多波束測(cè)深儀坐標(biāo)與RTK坐標(biāo)，雖然經(jīng)過修正，但坐標(biāo)x值與y值仍然會(huì)有米級(jí)的誤差；此外還有對(duì)于部分水下相對(duì)比較平整的區(qū)域做出插補(bǔ)造成的誤差及風(fēng)浪使測(cè)深儀搖晃而帶來的誤差，三者帶來的誤差對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果不會(huì)有實(shí)質(zhì)性影響。因此認(rèn)為測(cè)量試驗(yàn)基本達(dá)到了預(yù)期目的，多波束測(cè)深儀與RTK結(jié)合能夠基本運(yùn)用于湖泊及水庫(kù)等內(nèi)陸中小型水域的庫(kù)容測(cè)量工作。

4.5 困難和不足

測(cè)量試驗(yàn)遇到了很多困難，如多波束測(cè)深儀質(zhì)量重，體積大，價(jià)格高，儀器的保護(hù)，安裝和拆卸比較繁瑣，需要較多的人力和時(shí)間；湖內(nèi)的未知障礙物對(duì)船和測(cè)深儀帶來影響，船在行進(jìn)中可能會(huì)遇到石頭、木樁、水草等障礙；其次，擔(dān)心測(cè)深儀受損，水深較小的區(qū)域需另雇人工船用GPS-RTK測(cè)定坐標(biāo)和水深。測(cè)量中，由于冬季湖內(nèi)封凍，夏秋兩季湖內(nèi)水草多，影響船的行進(jìn)和測(cè)深儀測(cè)量，而初春風(fēng)浪較大，因此宜選擇春末夏初進(jìn)行測(cè)量；由于測(cè)船的動(dòng)力和測(cè)深儀的電力靠燃油提供，測(cè)量工作進(jìn)行時(shí)封閉的船艙內(nèi)氣味難聞，為減輕船艙濃重的油煙氣，將發(fā)電機(jī)放置于船的甲板上。

5 結(jié)語

利用多波束測(cè)深系統(tǒng)與GPS-RTK技術(shù)對(duì)衡水湖庫(kù)容的測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果可以看出：多波束測(cè)深系統(tǒng)能與GPS-RTK相結(jié)合，使兩者融合到一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，兩者所測(cè)的數(shù)據(jù)都能夠利用PDS2000軟件進(jìn)行處理，結(jié)合成為一個(gè)完整的模型，并且可以利用PDS2000軟件計(jì)算出相應(yīng)水位級(jí)的庫(kù)容量，相信兩種儀器的結(jié)合應(yīng)用會(huì)得到廣泛推廣。

［1］丁繼勝，周興華，劉忠臣，等.多波束測(cè)深聲納系統(tǒng)的工作原理［J］.海洋測(cè)繪，1999（3）：15.

［2］劉忠臣，周興華，陳義蘭，等.淺水多波束系統(tǒng)及其最新技術(shù)發(fā)展［J］.海洋測(cè)繪，2005（6）：67.

［3］劉經(jīng)南，趙建虎.多波束測(cè)深系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.海洋測(cè)繪，2002（5）：3.

［4］劉玉林.基于 GPS-RTK 技術(shù)的水下地形測(cè)量［J］.中國(guó)水運(yùn)，2013（9）：209.

［5］牟云勇，王穎洲.應(yīng)用 GPSRTK 技術(shù)的水下地形測(cè)量［J］.黑龍江科學(xué)，2013（11）：40.

The Combination Applications of the Multi-beam Sounding System and the GPS-RTK Technology in Capacity Curve Measurement

WANG Rui-xing
（Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hengshui in Hebei province,Hengshui 053000,China）

The multi-beam sounding system combined with GPS-RTK technology， what could be measured the data of which below and above the water， would be a new attempt.In this paper， through the experimental measurement of hengshui lake area， analyzes its feasibility； a combination of simple describes some technical processing method， measurement process and the problems in the measurement，and analyzes the sources of measurement error.

multi-beam sounding system；technology of GPS-RTK；combine；survey；capacity curve

TV697.2+1；P335+.2

B

1672-9900（2014）04-0053-03

2014-03-28

王瑞星（1987-），男（漢族），河北衡水人，助理工程師，主要從事水文水資源監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作，（Tel）15131878873。