浅析水下地形测量的原理与GPS测量技术

李素萍

摘要：随着我国GPS技术的不断快速发展，水下测量技术也随之取得了相应的进步，而且已趋于成熟，基本上定型于“GPS+计算机(含数据处理软件)+测深仪”的测量模式，本文就其基本原理、仪器设备及工程实践中的注意事项做一简单阐述，并结合工程实例说明了该模式在实际应用中的可靠性
关键词：GPS技术，水下地形测量
Abstract: along with the GPS technology continuous rapid development, underwater survey technology has made the corresponding progress, and has already become more and more mature, basically to finalize the design in "GPS + computer (including data processing software) + depth-measuring apparatus" measurement model, this paper is its basic principle, apparatus, equipment and matters of attention in the engineering practice to do a simple to elaborate, and combined with engineering example shows that the model of reliability in practical application
Keywords: GPS technology, underwater topography measurement

中图分类号：TU74     文献标识码：A      文章编号：

1 水下地形测量基本原理
1.1GPS定位技术
GPS即全球定位系统(Global Positioning System)，基本原理是卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，利用测距后方交会原理，计算出接收机的三维坐标、运动速度和时间等信息，从而进行起到定位和导航的作用。目前GPS系统提供的定位精度优于10m，为了得到更高的定位精度，通常采用差分GPS技术：将1台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。差分GPS主要分为2大类：伪距差分和载波相位差分，后者的定位精度较高(可达厘米级)，通常用于高精度的测量工程和研究中。GPS卫星发射2种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，这2个载波上调制有测距码、伪随机噪声码、导航信息等。GPS接收机按接受的载波频率可分为单频和双频，单频接收机只能接收L1载波信号，双频接收机可以同时接收L1、L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，后者可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，而且通过在2个频率上观测可以加速整周模糊度的解算。
1.2测深仪工作原理
测深仪是一种单波束测深设备，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。按照使用声波频率的个数，可分为单频和双频。单频测深仪仅用于一般的水深测量，双频测深仪可以同时测量淤泥表面深度和积岩深度，从而获得淤泥厚度，故后者还可以用于淤泥土方计算。
1.3 GPSRTK技术在水下地形测量中的应用
所谓水下地形测量，就是利用测量仪器来确定水下地形点的三维坐标的过程。在“GPS+计算机(含数据处理软件)+数字测深仪”的测量模式中，通过GPS的RTK功能(Real TimeKinematic，即实时载波相位差分技术，是实时处理两个测点载波相位观测量的差分方法)获得水面点的平面坐标及高程，通过测深仪获得该点处的水深，最终解算出与该点垂直对应的水下地形点的三维坐标。
2测量设备的选择
一般来说，双频GPS接收机相比单频接收机可以提供更为快速、更为精确、可靠的解算，是水下地形测量的理想选择。比如瑞士Leica1200、美国Trimble5800、南方公司的灵锐$80等。测深仪的测深精度与测深仪的固有误差、水深、水温、盐度等因素有关，主要误差源在于深度比例误差，因而在选择设备时，应尽量选择大量程、高灵敏度的测深仪。例如，中海达公司的HD系列数字测深仪，海鹰公司的SHD-13D、HY1600单频测深仪，南方公司的SDE系列测深仪等。
为实时记录数据，还需配备计算机，考虑到携带，选择轻巧的掌上电脑PDA为宜，同时安装相应的软件，通过数据线连接GPS和测深仪，同时记录GPS和测深数据。PDA品牌较多，价格相差较大，考虑到水下测量的实际需求，中下档次的PDA即可。至于软件，可以选择中海达公司的海洋测量系列软件，笔者所用的是科地公司自主开发的cbGPSSHCE软件。
水上测量离不开船只，鉴于作业性质，宜选择重量稍大的机动船。重一点的机动船航行起来比较稳定，可使GPS对中杆和测深仪换能器连接线保持竖直，减少由于船体倾斜带来的误差。而船体轻的或者人力划的木船在航行过程中，尤其是在有风、有水流的情况下，船体摇晃剧烈，甚至测深仪都无法收到反射回来的信号，而不能测出数据，因此测量误差太大，成果不可靠。而海上测量，由于波浪较大，一般的船只不能平稳航行，最好选用专业的测量船，而且船载仪器可以实时记录船体不同方向的倾斜角度，故即使风浪较大船体有适当摇晃时，也能通过船体倾斜改正来得到可靠的数据。

3仪器参数设置
测量之前应对仪器进行相关参数设置，GPS除了参考站和流动站的一般设置外，还要确保流动站与PDA通信的端口处于打开状态，并设置历元输出速率，一般为0.1S。测深仪需输人吃水深度、声速以及选择合适的量程档位等。吃水深度可以直接量取，而声波在水中的传播速度，随海水的温度、盐度和水中压强而变化。在海洋环境中，这些物理量越大，声速也越大。常温时海水中的声速的典型值为1500m/s，淡水中的声速为1450m/s。所以在使用回声测深仪之前，应根据当时水域的物理特征对仪器声速值加以校正。
在PDA中，不同的数据处理软件参数设置也不尽相同，但大同小异。以笔者所用的cbGPSSHCE软件为例，首先设置正确的GPS、测深仪类型及二者与PDA的通信端口，设置包括波特率、字节长度等在内的通信参数，其次选择正确的参考椭球、坐标系等，最后还有水面至GPS天线距离、数据的记录间距等。一般而言，1：200比例的水下地形测量中，数据记录间距2m就能满足，其他比例地形测量可以适当加大，但笔者建议依旧选择2m，因为地形点越密集形成的等深线就越能真实地反映地形状况，在形成等深线之后再按照一定的密度过滤数据即可。这样既可以绘制更加接近真实状况的等深线，又能避免过分密集的数据点。
4数据检核
为保证测量成果可靠，施测前后需进行GPS和测深仪的数据检查。对于GPS，可用流动站对已知点测量，与已知坐标比较，满足精度要求即可。对于测深仪，需用测绳实地量取水深，与测深仪面板显示的深度比较即可。
此外，在不同时段对同一水域进行重复测量，比较邻近测点的高程，如果相差不大则说明在测量过程中始终保持同样的测量精度，也说明期间测量作业是正常进行的，没有意外发生。也可用常规方法对测量成果进行检核，比如用全站仪。全站仪架设在岸上，司尺员乘船到水中立镜杆，杆高不够时，可用测绳协助。成图后比较邻近点高程即可。
    数据检核通常采取多种方法相结合的方式，从而确保了测量数据的准确性，增强了测量成果的可靠度。
5 测量过程中的注意事项
测量过程中，GPS流动站要保持RTK的固定解，因此流动站和参考站可以跟踪到相同的卫星必须4颗以上。在有遮挡物影响信号接受，或其他信号干扰时，可以通过升高GPS对中杆，调高参考站电台发射功率等方式增强信号，如果可跟踪到的卫星数量仍然不足，就只好在其他时段对该区域进行重复测量，因为不同时段卫星分布不同。甚至在必要的时候，可以用“全站仪+棱镜”的方式对无法测到的位置进行补测，而且利用这种方式还能够对数据作精度检查。
船在航行过程中，水深一般会均匀变化，若测深仪数据起伏较大，要及时检查，是不是哪里出了问题。例如，在有水草生长的水域中，测深仪探头容易挂上水草或垃圾，这时测深仪数据不稳，甚至闪烁不停，应该及时清理掉这些阻拦物。另外，为了设备及人员的安全，注意水域的深度，在水浅的地方需慢行，以免船只搁浅或者探头撞到水底硬物。
测量过程中，由于在水上航行，尤其水域较大时，没有什么明显的参照物，很难凭肉眼控制船的航行轨迹，而PDA上的数据记录软件可实时显示船体的航行位置及轨迹，故可凭此控制船体航行轨迹，在地势变化小、相对平坦的地方，适当放宽测量线路的间距，反之，需加密测量线路。这有利于使测点均匀布于整个测区，同时在测区地形变化复杂的地区能有足够数据反映水下地形的真实面貌。
在PDA数据记录软件上，可以显示水面高程、水深、固定解卫星数、平面坐标等即时数据，留意这些数据的变化规律，在出现异常时才能及时发现问题，并采取相应措施。比如在死水域中，水面高程始终是在某固定值附近变动，若脱离该值则测量过程可能发生了差错，比如GPS对中杆倾斜或者下滑。
6工程实例
笔者所在单位承接过许多水下地形测量任务，均采用“GPS+计算机(含数据处理软件)+数字测深仪”的测量模式，圆满完成了任务。现结合某水库水下地形测量，简要介绍该模式在工程实践中的应用。
外业数据采集完成后，将数据从PDA传到电脑上，然后通过WaterDataHandle软件将其转换为文本文件，摘录部分数据如表1。

此文本文件中，第1列为x坐标，其次为y坐标、水面高程、水深，最后的“4”表示PDA通过4号端口接受GPS实时数据。测量过程中，平面坐标采用深圳独立坐标系，高程系统为1956年黄海高程系统。
将上述数据的第3列与第4列相减，便得到平面坐标及与该坐标对应的水下地形点高程，从而获得水下地形点的三维坐标，导入专业的绘图软件即可成图。
在测量期间水库水位变化微小，可认为固定值，而上述测量数据也包含水面高程，测得水面高程值是随机现象，进行概率统计。最大值：23.773m，最小值：23.488m，平均值：23.6705m，标准差：0.0457m，上管制线(+3a)：23.8077m，下管制线(一3a)：23.5333m，样本量：6829个。概率分布如图1。
从上面的图表数据可知，6829个测量数据中，水面高程值近似符合正态分布函数N(23.6705，0.04572)，其中误差为0.045m。为进一步检核，用全站仪对水面高程多次测量，取其平均值得23.682m，与上述测量数据平均值(23.6705m)基本吻合。
同时用全站仪对部分水下地形检查，共测得350个数据，按照等深线插值计算，结果表明，高程值相差最大为0.25m，最小为0.02m，平均值为0.12m.80%的数据高程差值在0.11m内，满足《工程测量规范》和《水电水利工程施工测量规范》中对水下地形测量的精度要求。

从上述数据检核结果看来，“GPS+计算机(含数据处理软件)+数字测深仪”的测量成果能够满足相关测量规范中的精度要求，是水下地形测量的可靠手段。