RTK 與數(shù)字測(cè)深集成技術(shù)在水下測(cè)量中的應(yīng)用

莊培泳

（潮州市潮水水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 潮州 521000）

1 測(cè)量原理

Real-time kinematic（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)主要依據(jù)載波相位觀測(cè)，是GPS測(cè)量技術(shù)的新發(fā)展。RTK測(cè)量技術(shù)主要由基準(zhǔn)站、流動(dòng)站和數(shù)據(jù)鏈等組成，當(dāng)前該技術(shù)已經(jīng)在水下地形測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。數(shù)字測(cè)深儀作為一種適用于江河、湖泊、水庫(kù)等水深測(cè)量的便攜式測(cè)深記錄儀，在勘察、水文、航道和疏浚等領(lǐng)域測(cè)量和數(shù)據(jù)輸出方面具有極大的應(yīng)用前景，其所具備的DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理技術(shù)、水底追蹤技術(shù)能夠適應(yīng)惡劣的水文環(huán)境，獲取精確、真實(shí)、可靠、穩(wěn)定的水聲數(shù)據(jù)。通過(guò)在測(cè)船上使用RTK作業(yè)方式的GPS+便攜機(jī)+數(shù)字測(cè)探儀的基本作業(yè)模式[1]，便可完成水下地形測(cè)量以及水深等數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。雙頻RTK定位具有較高的實(shí)時(shí)定位高程測(cè)量精度，故而能取代傳統(tǒng)工序復(fù)雜的水尺布測(cè)水位觀測(cè)方式。

RTK結(jié)合數(shù)字測(cè)深儀進(jìn)行水下定位點(diǎn)高程的測(cè)量，首先應(yīng)將RTK天線安裝于測(cè)深儀換能器上方，確保測(cè)量時(shí)RTK測(cè)量點(diǎn)位始終與水下定位點(diǎn)處于同一鉛垂線。測(cè)量時(shí)，測(cè)深儀在換能器測(cè)定底部坐標(biāo)和高程的同時(shí)測(cè)定出定點(diǎn)水深，RTK測(cè)量高程H1減去測(cè)深儀測(cè)量水深H2后，即為水下定位點(diǎn)高程H，見(jiàn)圖1。

圖1 水下定位點(diǎn)高程測(cè)量示意圖

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

潮州市韓東新城防洪綜合整治一期工程整治范圍包括意東堤、東廂堤和韓江東岸市區(qū)段護(hù)岸（含北溪橋閘）。其中意東堤段北起意歸公路，南至橋東水廠，全長(zhǎng)約4.6 km；韓江東岸市區(qū)段護(hù)岸北起橋東水廠，南至北溪橋閘，全長(zhǎng)約2.6 km；東廂堤段北起北溪橋閘，南至在建的潮州大橋，全長(zhǎng)約2 km。本工程的任務(wù)主要是通過(guò)對(duì)意東堤、東廂堤實(shí)施達(dá)標(biāo)加固處理，消除潛在的險(xiǎn)情和隱患，達(dá)到50年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)遠(yuǎn)期與上游水庫(kù)堤庫(kù)的結(jié)合，防護(hù)區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)提升至100年一遇，使堤圍的防洪能力與未來(lái)韓東新城城市建設(shè)的定位相匹配。本工程主要進(jìn)行南溪湖沉砂池西北角區(qū)域的水深測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)設(shè)置在南溪湖水庫(kù)一號(hào)水泵站內(nèi)，測(cè)區(qū)水深13 m~19 m。

2.2 儀器配置及測(cè)量方案

2.2.1 儀器配置

本次對(duì)南溪湖沉砂池西北角區(qū)域的水深測(cè)量主要采用由北京宏暢航宇儀表公司所生產(chǎn)的定位精度±20 mm+2 ppm的華測(cè)X91雙頻實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位RTK，測(cè)深精度為0.5%H的SDE-18南方數(shù)字測(cè)深儀，筆記本電腦，中海達(dá)測(cè)繪所推出的HyNav海洋測(cè)量工程施工定位及成圖系列軟件[2]。

2.2.2 測(cè)量方案

（1）平高系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換參數(shù)的確定

平高系統(tǒng)分別采用北京54坐標(biāo)系及珠江高程基準(zhǔn)，由于測(cè)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)已經(jīng)存在，無(wú)需再建控制網(wǎng)，利用已有點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解?；鶞?zhǔn)站設(shè)置在潮州市橋東的GPS-E級(jí)網(wǎng)的筆架山控制點(diǎn)，轉(zhuǎn)換參數(shù)根據(jù)所設(shè)控制點(diǎn)求得，再將其余控制點(diǎn)設(shè)為檢測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。

（2）測(cè)船速度的確定

測(cè)船速度的確定對(duì)于測(cè)量結(jié)果的精確程度十分關(guān)鍵，船速過(guò)快則會(huì)降低點(diǎn)位坐標(biāo)精度，影響水下地形測(cè)繪精度，船速過(guò)慢則必將增大數(shù)據(jù)量，加大數(shù)據(jù)處理難度?？紤]到本工程實(shí)際情況以及RTK測(cè)量?jī)x器采樣率、測(cè)深儀信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延、水流流速等因素，最終確定能保證測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度達(dá)到cm級(jí)精度的測(cè)船速度為2.0 m/s。

（3）測(cè)線寬度及測(cè)點(diǎn)距離的確定

同測(cè)船速度的確定相同的是，測(cè)線寬度和測(cè)點(diǎn)距離的選擇同樣影響水下測(cè)量的精度和工程量，根據(jù)工程測(cè)量實(shí)際情況和要求，測(cè)線的布設(shè)每隔10 m一條，數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集每2 s一個(gè)。

（4）信號(hào)到達(dá)計(jì)算機(jī)相對(duì)時(shí)延值的確定

測(cè)船運(yùn)行過(guò)程中時(shí)延值的存在將導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)平面值和深度值匹配紊亂，影響到測(cè)量精度，所以，必須充分考慮到時(shí)延值的存在。RTK信號(hào)的時(shí)延值比測(cè)深儀信號(hào)的時(shí)延值小[3]，所以上述誤差主要由測(cè)深儀信號(hào)到達(dá)計(jì)算機(jī)的時(shí)延所引起，必須依據(jù)測(cè)點(diǎn)所處水深加以確定。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成果的輸出

將所收集并記錄的水深數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格后進(jìn)行RTK測(cè)量高程及所對(duì)應(yīng)水深數(shù)據(jù)的處理，便可得出水底高程。將RTK平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為所需的三維坐標(biāo)（X,Y,H），并將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為與HyNav海洋測(cè)量系列軟件所匹配的數(shù)據(jù)文件，再運(yùn)用HyNav海洋測(cè)量軟件2.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并編輯成圖。

3 精度分析

RTK數(shù)字測(cè)深成圖誤差既包括觀測(cè)測(cè)船上RTK天線原定位置測(cè)定等人為方面的誤差，也包括設(shè)備儀器制造精度、天氣、風(fēng)浪等環(huán)境方面的誤差，甚至還包括起算數(shù)據(jù)、計(jì)算方法等方面的誤差。這里主要討論對(duì)測(cè)量成圖精度影響較大的誤差項(xiàng)。

3.1 風(fēng)浪引起的誤差

風(fēng)浪的存在將引起測(cè)船左右晃動(dòng)，GPS天線、換能器及測(cè)深儀的測(cè)定點(diǎn)很難位于一條直線上，為提升測(cè)量精度，必須明確測(cè)船的晃動(dòng)程度，或者只能終止測(cè)量。對(duì)于受風(fēng)浪影響較小的測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)誤差可以忽略不計(jì)，主要討論受風(fēng)浪影響較大的水底高程誤差。設(shè)測(cè)船搖晃瞬間的橫向和縱向傾斜角度分別為 θr和 θp，GPS天線距離換能器的高度為 W，則天線高V=Wcosθrcosθp，當(dāng) θr=θp，且 V-W＜0.1 m，θ＜8°時(shí)，才能滿足測(cè)量成圖的精度要求。通常情況下，應(yīng)在傾斜角度＜6°的范圍內(nèi)施測(cè)。

3.2 RTK作業(yè)引起的誤差

本工程運(yùn)用華測(cè)X91雙頻實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位RTK水下測(cè)量的檢測(cè)精度見(jiàn)表1。

表1 RTK檢測(cè)精度表

由上表結(jié)果可知，RTK與數(shù)字測(cè)深集成技術(shù)的測(cè)量精度主要受轉(zhuǎn)換參數(shù)求解的起算點(diǎn)分布的影響，在運(yùn)用四參數(shù)法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的過(guò)程中，測(cè)量點(diǎn)位于求解轉(zhuǎn)化參數(shù)的起算點(diǎn)以?xún)?nèi)區(qū)域，測(cè)量精度最高，且基本符合水下測(cè)量要求，對(duì)于10 km以?xún)?nèi)的測(cè)點(diǎn)，平面誤差不超過(guò)0.45 m，高程誤差不超過(guò)0.25 m。而測(cè)量點(diǎn)位于求解轉(zhuǎn)化參數(shù)的起算點(diǎn)以外區(qū)域，隨著測(cè)距的增大，測(cè)量誤差增加，到10.6 km及以外時(shí)便無(wú)法達(dá)到水下測(cè)量精度要求，為此必須重新進(jìn)行基準(zhǔn)站設(shè)置和轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算。

3.3 測(cè)深儀引起的誤差

引起測(cè)深儀誤差的主要是儀器記錄速度、分辨率等設(shè)計(jì)制造方面，電流擾動(dòng)，水波氣泡等原因，其中有些方面與水深無(wú)關(guān)，而有些因素與水深成正比，根據(jù)測(cè)深儀生產(chǎn)廠家所給出的標(biāo)稱(chēng)精度，測(cè)深誤差最大值mx=±0.3%H。

水溫、鹽度、富營(yíng)養(yǎng)化、靜水壓力等都對(duì)水中聲波的傳播速度有一定影響[4]，故對(duì)其的分析較為復(fù)雜，水聲傳播速度通常用下式計(jì)算：

式中：t表示水溫，℃；s表示鹽度，%；p表示靜水壓力。

由上式可知，隨著水溫、鹽度和靜水壓力等的增大，水中聲波的傳播速度隨之增大，其中水溫是主要的影響因素。假定其余條件不變時(shí)，水溫每變動(dòng)1℃，聲波的傳播速度將變動(dòng)4.5 m/s。而在聲波的傳播速度未作出測(cè)定的情況下，水聲傳播速率對(duì)測(cè)深影響的誤差將高達(dá)1.5%H，綜上可知，測(cè)深最大誤差應(yīng)設(shè)定為mz=±0.7%H。本工程南溪湖沉砂池西北角區(qū)域的水深測(cè)量中，最大水深18.5 m，則可求得測(cè)深最大誤差mmax=±0.7%×18.5=±0.1295 m，這一精度基本滿足水利工程水下測(cè)量要求。

4 結(jié)論及討論

水下地形圖測(cè)量中，RTK測(cè)量技術(shù)比常規(guī)測(cè)量具有較大優(yōu)勢(shì)：測(cè)量精度提高，施工復(fù)雜程度降低，常規(guī)測(cè)量無(wú)法完成的工作也得到保證。RTK數(shù)據(jù)處理和繪圖軟件系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、等高線生成、水下地形圖繪制、圖像輸出等工作的自動(dòng)化與高精確率，為水利工程方案決策、設(shè)計(jì)及實(shí)施提供依據(jù)。實(shí)踐證明，RTK與數(shù)字測(cè)深集成技術(shù)應(yīng)用于水利工程水下地形測(cè)量既能實(shí)現(xiàn)野外實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，保證地形數(shù)據(jù)的可靠性，又能進(jìn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確定性、定位與定量分析，導(dǎo)航性與同步性能良好，精度高，該項(xiàng)技術(shù)在今后水下地形測(cè)繪方面應(yīng)用前景十分廣泛。