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摘要:水下地形测量具有测量隐蔽、精度控制难度大等特点，因此，对其测量技术的要求较为严格。本文就介绍了GPS－RTK联合测深仪在水下地形测量中的应用，阐述了利用GPS－RTK与测深技术测定水下地形的基本原理和水下地形测量的基本实施步骤，并通过结合工程实例，对项目实施、数据比较等做了深入研究，为类似工作的应用进行提供参考。
关键词:GPS－RTK；测深仪；应用；原理
中图分类号：S932.9+15 文献标识码：A 文章编号：
随着科学技术的发展，GPS－RTK技术已经得到了广泛的应用，虽然这种技术具有测量速度快，精度高等特点，但是这种无验潮模式下的测量方法还无相关规范和技术标准，所以在与测探仪联合应用中，就要注意其工作的实际情况，从而探究出其是否能满足相关规范要求。本文通过无验潮和传统验潮两种模式下水下地形测量的原理和两种模式下水深测量的数据进行分析，得出该技术在水下地形测量两种测量模式中均能满足相关规范要求。
1 水下地形测量的原理
水下地形测量包括两部分:定位和水深测量。就目前的水下地形测量的主流技术而言，定位采用的是RTK(Real－time kinematic)实时动态差分法，而水深测量采用的是回声测深仪的方法。这样就可以确定水底点的高程:
Gi=H－(D+ΔD) (1)
式中:Gi为水底点高程；H为水面高程；D为测量水深；ΔD为换能器的静吃水。
在观测条件比较好的情况下，考虑RTK具备比较高的高程确定精度，同时严格考虑船姿的影响，无验潮模式下的水底点高程可通过下式确定:
Gi=H－D－h－Δa (2)
式中:Gi为水底点高程；H为GPS相位中心的高程(通过RTK直接确定)；D为测量水深；h为GPS接收机天线相位中心距换能器面的垂距；Δa为姿态引起的深度改正。
2GPS-RTK联合测深仪水下地形测量的基本作业步骤
水下地形测量作业系统主要由GPS接收机、数字化测深仪、数据通信链和便携式计算机及相关软件等组成。测量作业流程大体分三步来进行，即测前的准备、外业的数据采集和数据的后处理。
2.1 测前的准备
（1） 布设GPS观测网
GPS网形设计与控制点分布有关, 为使整个网形的点位中误差值能够均匀, 观测网的网形最好能依控制点分布设计。测区平面控制点分布: 观测网测区内最好有至少3个已知控制点分布在测区外围的4个象限, 若已知控制点位于测区外面, 则测区外缘与該已知点的距离最好不要超过20 km; 测区高程控制点分布: 监测网网状测区内在每10 ×10( km )范围内需有4个已知水平点作为控制点, 且分布于测区周围; 线状测区内最好有至少4个已知控制点分布在测区之两端及中央。
（2）求转换参数
①在测区附近选择4个已知控制点然后将GPS基准站架设在已知点A上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数，关闭转换参数和七参数，输入基准站坐标(该点的单点WGS－84坐标)后设置为基准站。 ②将GPS移动站分别架设在已知点B、C、D上进行联测，同时设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、接收间隔、观测时间、卫星截止高度角、PDOP值等，关闭转换参数和七参数后，通过联测获取该点的固定解(WGS－84坐标)。 ③通过A，B、C、D三点的WGS－84坐标及当地坐标，采用随机提供的数据处理软件进行基线解算与网平差从而求得转换参数。
（3）创建工程
根据工程向导设置好工程基本信息(包括工程名称、施工日期、工程负责人等)、投影参数、转换参数、GPS－RTK和测深仪的仪器型号连接端口配置以及数据采集条件和记录数据文件名称等。
（4）计划线布设
布设计划线一般是在作业前，用常用软件AUTOCAD设计好计划线，生成*.dxf文件，直接导入程序里边。布线结果如图1所示。
图1 布线结果图
2.2 外业的数据采集
①架设基准站在求转换参数时架设在基准点上，且坐标不变。
②将GPS接收机、数字化测深仪和便携机等连接好后，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校正后，就可以进行测量工作了，软件会自动按照指定方式采集和存储数据，并在航行轨迹上留下采点标志，如图2所示。
图2 航迹图
2.3 数据的后处理
数据后处理是指利用相应配套的数据处理软件对测量数据进行后期处理，形成所需要的测量成果(如水深图及其统计分析报告等)，所有测量成果可以通过打印机或绘图机输出。数据的后处理一般包括水深采集取样处理、验潮站数据输入、数据的综合改正等内容。
1)水深采集取样处理
采集水深取样的目的是:①修改有问题的原始测量水深值。②按设定的取样方式和取样间隔，取出需要的坐标和水深数据。
2)验潮站数据输入
输入验潮站的平面坐标和水位数据。需要注意的是验潮站验潮数据的时间段一定要包含采集数据的时间段。无验潮模式下不进行此处理。
3)数据的综合改正与输出
数据的综合改正包括测深仪改正、动态吃水改正、坐标系统误差改正、水深系统误差改正等内容。
3 工程实例
以某测区工程为例，该测区水下地形测图面积210km2，距岸边最远17km，东西海岸长35km。采用的仪器设备有南方灵锐S86型动态GPS，南方灵舟SDE－28型测深仪，以及美国Ashtech公司ADU5姿态测量仪等。
3.1 项目实施
（1）测区七参数的求取
根据测区已有控制点情况，在测区附近布设满足测图使用的控制网，利用静态GPS接收机采集数据并进行数据解算，从而求取七参数。
（2）基准站的选定和建立
基准站的选定直接影响电台的作用距离。因此，安置基准站应注意以下几点:
①便于安置仪器设备和设备操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过15°。
②远离大功率无线电发射源(如电视台、电台、微波站等)，其距离不小于200m；远离高压输电线和微波无线电信号传送通道，其距离不应小于50m。
③附近不应有强烈反射卫星信号的物体(如大型建筑物等)。
④电台发射天线必须具有一定的高度。在实际测试中，GPS－RTK作用距离能达到20km以上。
（3）设置移动站、安置测深仪换能器
在测船上固定好移动站，测深仪换能器安置在距测量船船首1/2船长处。在设置移动站时电台频率与基准站发射频率相同。
（4）测深软件的设置
在水下地形测量中应用的测深软件是南方测绘仪器公司的水上工程－自由行软件。在该软件中可以直接输入转换参数(七参数、四参数和校正参数)，并对GPS－RTK接收天线中心和测深仪换能器中心进行偏心改正，以消除GPS－RTK同测深仪的定位中心偏差。
（5）水尺和自记水位计的设立
在测区附近岸边设立水尺，在测区内设置自记水位计，进行水位观测，并对自记水位计和水尺进行水位比测。水尺零点也应进行检核。
（6）内业整理
将测量数据进行后处理，处理时分两种模式进行，一种是直接利用的GPS－RTK的高程值；一种是利用验潮数据值。处理后均生成每条测线的DAT文件。
3.2 数据比较
为了验证无验潮模式下水下地形测量的高程精度，我们将两种模式下取得的数据，共计4662个水深点进行了对比，对比部分情况见表1。
表1 水深点数据对比统计表(单位:米)
根据4662个水深点数据，利用公式1计算出高程中误差为±7.8cm。
高程中误差 (1)
3.3 误差分析
通过上述作业方案和水深数据对比结论，分析认为该误差主要由两种原因造成。
1)水位观测误差
常规水深测量中，采用人工在水位验潮点进行潮汐观测。潮位改正是后处理中按潮波均匀传播的原理，采用潮汐分带或线性内插的方法进行改正的。采用潮汐分带进行改正，认为在同一分带区潮位值是一样的，实际却并非如此，尤其在跨带区附近误差较大；采用线性内插进行改正，一般多用于相对较长且潮位变化较大的测区。由于验潮站获得的水位数据是验潮站附近瞬时水位的平均值，水流情况以及波浪的无规律性，使得测深点的潮位与该点实时实地的潮位存在一定差值。因此，根据验潮站的水位数据和水深数据求得的水下高程还是存在一定误差的。
2)波浪效应
波浪效应是指由于风浪引起测船纵、横向倾及上下沉浮，从而影响水深点平面和水深两方面的偏差。测船的纵、横向倾对测量水深和平面位置的影响是比较大的。因此，在无验潮模式下进行水深测量时，要对测船进行姿态改正。
4 结束语
本文所介绍的水下测量技术打破了传统的水下地形测量方法，不仅减少了外界因素对作业过程的过多干扰，而且降低外业数据采集的劳动强度和成本，提高了作业效率，更重要的是大幅提高了测量点位的精度，使得水下地形测量这项工程变得简单、方便、快捷、轻松、高效、经济，可以全天候的实施测量工作。随着科学技术的发展，笔者相信该技术将会更加完善，可以在包括水下地形测量在内的各种工程项目中得到更好地应用。
参考文献
[1] 马成武、赵红旭、陈和权、豆泽军.GPS-RTK技术联合数字化测深仪在水下地形测量中的应用[J].东北水利水电,2012年07期
[2] 刘礼衡.GPS-RTK结合测深仪在水下地形测量中的应用探讨[J].城市建设理论研究,2012年29期
关键词:GPS－RTK；测深仪；应用；原理
中图分类号：S932.9+15 文献标识码：A 文章编号：
随着科学技术的发展，GPS－RTK技术已经得到了广泛的应用，虽然这种技术具有测量速度快，精度高等特点，但是这种无验潮模式下的测量方法还无相关规范和技术标准，所以在与测探仪联合应用中，就要注意其工作的实际情况，从而探究出其是否能满足相关规范要求。本文通过无验潮和传统验潮两种模式下水下地形测量的原理和两种模式下水深测量的数据进行分析，得出该技术在水下地形测量两种测量模式中均能满足相关规范要求。
1 水下地形测量的原理
水下地形测量包括两部分:定位和水深测量。就目前的水下地形测量的主流技术而言，定位采用的是RTK(Real－time kinematic)实时动态差分法，而水深测量采用的是回声测深仪的方法。这样就可以确定水底点的高程:
Gi=H－(D+ΔD) (1)
式中:Gi为水底点高程；H为水面高程；D为测量水深；ΔD为换能器的静吃水。
在观测条件比较好的情况下，考虑RTK具备比较高的高程确定精度，同时严格考虑船姿的影响，无验潮模式下的水底点高程可通过下式确定:
Gi=H－D－h－Δa (2)
式中:Gi为水底点高程；H为GPS相位中心的高程(通过RTK直接确定)；D为测量水深；h为GPS接收机天线相位中心距换能器面的垂距；Δa为姿态引起的深度改正。
2GPS-RTK联合测深仪水下地形测量的基本作业步骤
水下地形测量作业系统主要由GPS接收机、数字化测深仪、数据通信链和便携式计算机及相关软件等组成。测量作业流程大体分三步来进行，即测前的准备、外业的数据采集和数据的后处理。
2.1 测前的准备
（1） 布设GPS观测网
GPS网形设计与控制点分布有关, 为使整个网形的点位中误差值能够均匀, 观测网的网形最好能依控制点分布设计。测区平面控制点分布: 观测网测区内最好有至少3个已知控制点分布在测区外围的4个象限, 若已知控制点位于测区外面, 则测区外缘与該已知点的距离最好不要超过20 km; 测区高程控制点分布: 监测网网状测区内在每10 ×10( km )范围内需有4个已知水平点作为控制点, 且分布于测区周围; 线状测区内最好有至少4个已知控制点分布在测区之两端及中央。
（2）求转换参数
①在测区附近选择4个已知控制点然后将GPS基准站架设在已知点A上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数，关闭转换参数和七参数，输入基准站坐标(该点的单点WGS－84坐标)后设置为基准站。 ②将GPS移动站分别架设在已知点B、C、D上进行联测，同时设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、接收间隔、观测时间、卫星截止高度角、PDOP值等，关闭转换参数和七参数后，通过联测获取该点的固定解(WGS－84坐标)。 ③通过A，B、C、D三点的WGS－84坐标及当地坐标，采用随机提供的数据处理软件进行基线解算与网平差从而求得转换参数。
（3）创建工程
根据工程向导设置好工程基本信息(包括工程名称、施工日期、工程负责人等)、投影参数、转换参数、GPS－RTK和测深仪的仪器型号连接端口配置以及数据采集条件和记录数据文件名称等。
（4）计划线布设
布设计划线一般是在作业前，用常用软件AUTOCAD设计好计划线，生成*.dxf文件，直接导入程序里边。布线结果如图1所示。
图1 布线结果图
2.2 外业的数据采集
①架设基准站在求转换参数时架设在基准点上，且坐标不变。
②将GPS接收机、数字化测深仪和便携机等连接好后，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校正后，就可以进行测量工作了，软件会自动按照指定方式采集和存储数据，并在航行轨迹上留下采点标志，如图2所示。
图2 航迹图
2.3 数据的后处理
数据后处理是指利用相应配套的数据处理软件对测量数据进行后期处理，形成所需要的测量成果(如水深图及其统计分析报告等)，所有测量成果可以通过打印机或绘图机输出。数据的后处理一般包括水深采集取样处理、验潮站数据输入、数据的综合改正等内容。
1)水深采集取样处理
采集水深取样的目的是:①修改有问题的原始测量水深值。②按设定的取样方式和取样间隔，取出需要的坐标和水深数据。
2)验潮站数据输入
输入验潮站的平面坐标和水位数据。需要注意的是验潮站验潮数据的时间段一定要包含采集数据的时间段。无验潮模式下不进行此处理。
3)数据的综合改正与输出
数据的综合改正包括测深仪改正、动态吃水改正、坐标系统误差改正、水深系统误差改正等内容。
3 工程实例
以某测区工程为例，该测区水下地形测图面积210km2，距岸边最远17km，东西海岸长35km。采用的仪器设备有南方灵锐S86型动态GPS，南方灵舟SDE－28型测深仪，以及美国Ashtech公司ADU5姿态测量仪等。
3.1 项目实施
（1）测区七参数的求取
根据测区已有控制点情况，在测区附近布设满足测图使用的控制网，利用静态GPS接收机采集数据并进行数据解算，从而求取七参数。
（2）基准站的选定和建立
基准站的选定直接影响电台的作用距离。因此，安置基准站应注意以下几点:
①便于安置仪器设备和设备操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过15°。
②远离大功率无线电发射源(如电视台、电台、微波站等)，其距离不小于200m；远离高压输电线和微波无线电信号传送通道，其距离不应小于50m。
③附近不应有强烈反射卫星信号的物体(如大型建筑物等)。
④电台发射天线必须具有一定的高度。在实际测试中，GPS－RTK作用距离能达到20km以上。
（3）设置移动站、安置测深仪换能器
在测船上固定好移动站，测深仪换能器安置在距测量船船首1/2船长处。在设置移动站时电台频率与基准站发射频率相同。
（4）测深软件的设置
在水下地形测量中应用的测深软件是南方测绘仪器公司的水上工程－自由行软件。在该软件中可以直接输入转换参数(七参数、四参数和校正参数)，并对GPS－RTK接收天线中心和测深仪换能器中心进行偏心改正，以消除GPS－RTK同测深仪的定位中心偏差。
（5）水尺和自记水位计的设立
在测区附近岸边设立水尺，在测区内设置自记水位计，进行水位观测，并对自记水位计和水尺进行水位比测。水尺零点也应进行检核。
（6）内业整理
将测量数据进行后处理，处理时分两种模式进行，一种是直接利用的GPS－RTK的高程值；一种是利用验潮数据值。处理后均生成每条测线的DAT文件。
3.2 数据比较
为了验证无验潮模式下水下地形测量的高程精度，我们将两种模式下取得的数据，共计4662个水深点进行了对比，对比部分情况见表1。
表1 水深点数据对比统计表(单位:米)
根据4662个水深点数据，利用公式1计算出高程中误差为±7.8cm。
高程中误差 (1)
3.3 误差分析
通过上述作业方案和水深数据对比结论，分析认为该误差主要由两种原因造成。
1)水位观测误差
常规水深测量中，采用人工在水位验潮点进行潮汐观测。潮位改正是后处理中按潮波均匀传播的原理，采用潮汐分带或线性内插的方法进行改正的。采用潮汐分带进行改正，认为在同一分带区潮位值是一样的，实际却并非如此，尤其在跨带区附近误差较大；采用线性内插进行改正，一般多用于相对较长且潮位变化较大的测区。由于验潮站获得的水位数据是验潮站附近瞬时水位的平均值，水流情况以及波浪的无规律性，使得测深点的潮位与该点实时实地的潮位存在一定差值。因此，根据验潮站的水位数据和水深数据求得的水下高程还是存在一定误差的。
2)波浪效应
波浪效应是指由于风浪引起测船纵、横向倾及上下沉浮，从而影响水深点平面和水深两方面的偏差。测船的纵、横向倾对测量水深和平面位置的影响是比较大的。因此，在无验潮模式下进行水深测量时，要对测船进行姿态改正。
4 结束语
本文所介绍的水下测量技术打破了传统的水下地形测量方法，不仅减少了外界因素对作业过程的过多干扰，而且降低外业数据采集的劳动强度和成本，提高了作业效率，更重要的是大幅提高了测量点位的精度，使得水下地形测量这项工程变得简单、方便、快捷、轻松、高效、经济，可以全天候的实施测量工作。随着科学技术的发展，笔者相信该技术将会更加完善，可以在包括水下地形测量在内的各种工程项目中得到更好地应用。
参考文献
[1] 马成武、赵红旭、陈和权、豆泽军.GPS-RTK技术联合数字化测深仪在水下地形测量中的应用[J].东北水利水电,2012年07期
[2] 刘礼衡.GPS-RTK结合测深仪在水下地形测量中的应用探讨[J].城市建设理论研究,2012年29期