1、第 PAGE9 頁(yè) 共 NUMPAGES9 頁(yè)gps測(cè)量地形實(shí)驗(yàn)原理 淺析水下地形測(cè)量的原理與GPS測(cè)量技術(shù) 摘要：隨著我國(guó)GPS技術(shù)的不斷快速發(fā)展，水下測(cè)量技術(shù)也隨之取得了相應(yīng)的進(jìn)步，而且已趨于成熟，基本上定型于“GPS+計(jì)算機(jī)(含數(shù)據(jù)處理軟件)+測(cè)深儀”的測(cè)量模式，本文就其基本原理、儀器設(shè)備及工程實(shí)踐中的注意事項(xiàng)做一簡(jiǎn)單闡述，并結(jié)合工程實(shí)例說(shuō)明了該模式在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性 關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)，水下地形測(cè)量 Abstract:alongwiththeGPStechnologycontinuousrapiddevelopment,underwatersurveytechnologyhasmad

2、ethecorrespondingprogress,andhasalreadybecomemoreandmoremature,basicallytofinalizethedesigninGPS+computer(includingdataprocessingsoftware)+depth-measuringapparatusmeasurementmodel,thispaperisitsbasicprinciple,apparatus,equipmentandmattersofattentionintheengineeringpracticetodoasimpletoelaborate,andc

3、ombinedwithengineeringexampleshowsthatthemodelofreliabilityinpracticalapplication Keywords:GPStechnology,underwatertopographymeasurement 中圖分類(lèi)號(hào)：TU74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： 1水下地形測(cè)量基本原理 1.1GPS定位技術(shù) GPS即全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem)，基本原理是衛(wèi)星不問(wèn)斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶(hù)接收到這些信息后，利用測(cè)距后方交會(huì)原理，計(jì)算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間等信息，從而進(jìn)行起到定位和導(dǎo)

4、航的作用。目前GPS系統(tǒng)提供的定位精度優(yōu)于10m，為了得到更高的定位精度，通常采用差分GPS技術(shù)：將1臺(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶(hù)接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。差分GPS主要分為2大類(lèi)：偽距差分和載波相位差分，后者的定位精度較高(可達(dá)厘米級(jí))，通常用于高精度的測(cè)量工程和研究中。GPS衛(wèi)星發(fā)射2種頻率的載波信號(hào)，xxxxz的L2載波，這2個(gè)載波上調(diào)制有測(cè)距碼、偽隨機(jī)噪聲碼、導(dǎo)航信息等。GPS接收機(jī)按接受的載波頻率可分為單頻和

5、雙頻，單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào)，雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1、L2載波信號(hào)。利用雙頻對(duì)電離層延遲的不一樣，后者可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)延遲的影響，而且通過(guò)在2個(gè)頻率上觀測(cè)可以加速整周模糊度的解算。 1.2測(cè)深儀工作原理 測(cè)深儀是一種單波束測(cè)深設(shè)備，工作原理是利用換能器在水中發(fā)出聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物而反射回?fù)Q能器時(shí)，根據(jù)聲波往返的時(shí)間和所測(cè)水域中聲波傳播的速度，就可以求得障礙物與換能器之間的距離。按照使用聲波頻率的個(gè)數(shù)，可分為單頻和雙頻。單頻測(cè)深儀僅用于一般的水深測(cè)量，雙頻測(cè)深儀可以同時(shí)測(cè)量淤泥表面深度和積巖深度，從而獲得淤泥厚度，故后者還可以用于淤泥土方計(jì)算。 1.3GPSRTK技術(shù)在

6、水下地形測(cè)量中的應(yīng)用 所謂水下地形測(cè)量，就是利用測(cè)量?jī)x器來(lái)確定水下地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)的過(guò)程。在“GPS+計(jì)算機(jī)(含數(shù)據(jù)處理軟件)+數(shù)字測(cè)深儀”的測(cè)量模式中，通過(guò)GPS的RTK功能(RealTimeKinematic，即實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)點(diǎn)載波相位觀測(cè)量的差分方法)獲得水面點(diǎn)的平面坐標(biāo)及高程，通過(guò)測(cè)深儀獲得該點(diǎn)處的水深，最終解算出與該點(diǎn)垂直對(duì)應(yīng)的水下地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 2測(cè)量設(shè)備的選擇 一般來(lái)說(shuō)，雙頻GPS接收機(jī)相比單頻接收機(jī)可以提供更為快速、更為精確、可靠的解算，是水下地形測(cè)量的理想選擇。比如瑞士Leica1200、美國(guó)Trimble5800、南方公司的靈銳$80等。測(cè)深儀的

7、測(cè)深精度與測(cè)深儀的固有誤差、水深、水溫、鹽度等因素有關(guān)，主要誤差源在于深度比例誤差，因而在選擇設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡量選擇大量程、高靈敏度的測(cè)深儀。例如，中海達(dá)公司的HD系列數(shù)字測(cè)深儀，海鷹公司的SHD-13D、HY1600單頻測(cè)深儀，南方公司的SDE系列測(cè)深儀等。 為實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，還需配備計(jì)算機(jī)，考慮到攜帶，選擇輕巧的掌上電腦PDA為宜，同時(shí)安裝相應(yīng)的軟件，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接GPS和測(cè)深儀，同時(shí)記錄GPS和測(cè)深數(shù)據(jù)。PDA品牌較多，價(jià)格相差較大，考慮到水下測(cè)量的實(shí)際需求，中下檔次的PDA即可。至于軟件，可以選擇中海達(dá)公司的海洋測(cè)量系列軟件，筆者所用的是科地公司自主開(kāi)發(fā)的cbxxxx軟件。 水上測(cè)量離不開(kāi)船

8、只，鑒于作業(yè)性質(zhì)，宜選擇重量稍大的機(jī)動(dòng)船。重一點(diǎn)的機(jī)動(dòng)船航行起來(lái)比較穩(wěn)定，可使GPS對(duì)中桿和測(cè)深儀換能器連接線(xiàn)保持豎直，減少由于船體傾斜帶來(lái)的誤差。而船體輕的或者人力劃的木船在航行過(guò)程中，尤其是在有風(fēng)、有水流的情況下，船體搖晃劇烈，甚至測(cè)深儀都無(wú)法收到反射回來(lái)的信號(hào)，而不能測(cè)出數(shù)據(jù)，因此測(cè)量誤差太大，成果不可靠。而海上測(cè)量，由于波浪較大，一般的船只不能平穩(wěn)航行，最好選用專(zhuān)業(yè)的測(cè)量船，而且船載儀器可以實(shí)時(shí)記錄船體不同方向的傾斜角度，故即使風(fēng)浪較大船體有適當(dāng)搖晃時(shí)，也能通過(guò)船體傾斜改正來(lái)得到可靠的數(shù)據(jù)。 3儀器參數(shù)設(shè)置 測(cè)量之前應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，GPS除了參考站和流動(dòng)站的一般設(shè)置外，還要確

9、保流動(dòng)站與PDA通信的端口處于打開(kāi)狀態(tài)，并設(shè)置歷元輸出速率，一般為0.1S。測(cè)深儀需輸人吃水深度、聲速以及選擇合適的量程檔位等。吃水深度可以直接量取，而聲波在水中的傳播速度，隨海水的溫度、鹽度和水中壓強(qiáng)而變化。在海洋環(huán)境中，這些物理量越大，聲速也越大。常溫時(shí)海水中的聲速的典型值為1500m/s，淡水中的聲速為1450m/s。所以在使用回聲測(cè)深儀之前，應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)水域的物理特征對(duì)儀器聲速值加以校正。 在PDA中，不同的數(shù)據(jù)處理軟件參數(shù)設(shè)置也不盡相同，但大同小異。以筆者所用的cbxxxx軟件為例，首先設(shè)置正確的GPS、測(cè)深儀類(lèi)型及二者與PDA的通信端口，設(shè)置包括波特率、字節(jié)長(zhǎng)度等在內(nèi)的通信參數(shù)，其次

10、選擇正確的參考橢球、坐標(biāo)系等，最后還有水面至GPS天線(xiàn)距離、數(shù)據(jù)的記錄間距等。一般而言，1：200比例的水下地形測(cè)量中，數(shù)據(jù)記錄間距2m就能滿(mǎn)足，其他比例地形測(cè)量可以適當(dāng)加大，但筆者建議依舊選擇2m，因?yàn)榈匦吸c(diǎn)越密集形成的等深線(xiàn)就越能真實(shí)地反映地形狀況，在形成等深線(xiàn)之后再按照一定的密度過(guò)濾數(shù)據(jù)即可。這樣既可以繪制更加接近真實(shí)狀況的等深線(xiàn)，又能避免過(guò)分密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)。 4數(shù)據(jù)檢核 為保證測(cè)量成果可靠，施測(cè)前后需進(jìn)行GPS和測(cè)深儀的數(shù)據(jù)檢查。對(duì)于GPS，可用流動(dòng)站對(duì)已知點(diǎn)測(cè)量，與已知坐標(biāo)比較，滿(mǎn)足精度要求即可。對(duì)于測(cè)深儀，需用測(cè)繩實(shí)地量取水深，與測(cè)深儀面板顯示的深度比較即可。 此外，在不同時(shí)段對(duì)同一

11、水域進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，比較鄰近測(cè)點(diǎn)的高程，如果相差不大則說(shuō)明在測(cè)量過(guò)程中始終保持同樣的測(cè)量精度，也說(shuō)明期間測(cè)量作業(yè)是正常進(jìn)行的，沒(méi)有意外發(fā)生。也可用常規(guī)方法對(duì)測(cè)量成果進(jìn)行檢核，比如用全站儀。全站儀架設(shè)在岸上，司尺員乘船到水中立鏡桿，桿高不夠時(shí)，可用測(cè)繩協(xié)助。成圖后比較鄰近點(diǎn)高程即可。 數(shù)據(jù)檢核通常采取多種方法相結(jié)合的方式，從而確保了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了測(cè)量成果的可靠度。 5測(cè)量過(guò)程中的注意事項(xiàng) 測(cè)量過(guò)程中，GPS流動(dòng)站要保持RTK的固定解，因此流動(dòng)站和參考站可以跟蹤到相同的衛(wèi)星必須4顆以上。在有遮擋物影響信號(hào)接受，或其他信號(hào)干擾時(shí)，可以通過(guò)升高GPS對(duì)中桿，調(diào)高參考站電臺(tái)發(fā)射功率等方式增強(qiáng)信號(hào)

12、，如果可跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)量仍然不足，就只好在其他時(shí)段對(duì)該區(qū)域進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，因?yàn)椴煌瑫r(shí)段衛(wèi)星分布不同。甚至在必要的時(shí)候，可以用“全站儀+棱鏡”的方式對(duì)無(wú)法測(cè)到的位置進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，而且利用這種方式還能夠?qū)?shù)據(jù)作精度檢查。 船在航行過(guò)程中，水深一般會(huì)均勻變化，若測(cè)深儀數(shù)據(jù)起伏較大，要及時(shí)檢查，是不是哪里出了問(wèn)題。例如，在有水草生長(zhǎng)的水域中，測(cè)深儀探頭容易掛上水草或垃圾，這時(shí)測(cè)深儀數(shù)據(jù)不穩(wěn)，甚至閃爍不停，應(yīng)該及時(shí)清理掉這些阻攔物。另外，為了設(shè)備及人員的安全，注意水域的深度，在水淺的地方需慢行，以免船只擱淺或者探頭撞到水底硬物。 測(cè)量過(guò)程中，由于在水上航行，尤其水域較大時(shí)，沒(méi)有什么明顯的參照物，很難憑肉眼控制

13、船的航行軌跡，而PDA上的數(shù)據(jù)記錄軟件可實(shí)時(shí)顯示船體的航行位置及軌跡，故可憑此控制船體航行軌跡，在地勢(shì)變化小、相對(duì)平坦的地方，適當(dāng)放寬測(cè)量線(xiàn)路的間距，反之，需加密測(cè)量線(xiàn)路。這有利于使測(cè)點(diǎn)均勻布于整個(gè)測(cè)區(qū)，同時(shí)在測(cè)區(qū)地形變化復(fù)雜的地區(qū)能有足夠數(shù)據(jù)反映水下地形的真實(shí)面貌。 在PDA數(shù)據(jù)記錄軟件上，可以顯示水面高程、水深、固定解衛(wèi)星數(shù)、平面坐標(biāo)等即時(shí)數(shù)據(jù)，留意這些數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，在出現(xiàn)異常時(shí)才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并采取相應(yīng)措施。比如在死水域中，水面高程始終是在某固定值附近變動(dòng)，若脫離該值則測(cè)量過(guò)程可能發(fā)生了差錯(cuò)，比如GPS對(duì)中桿傾斜或者下滑。 6工程實(shí)例 筆者所在單位承接過(guò)許多水下地形測(cè)量任務(wù)，均采用“

14、GPS+計(jì)算機(jī)(含數(shù)據(jù)處理軟件)+數(shù)字測(cè)深儀”的測(cè)量模式，圓滿(mǎn)完成了任務(wù)?，F(xiàn)結(jié)合某水庫(kù)水下地形測(cè)量，簡(jiǎn)要介紹該模式在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。 外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，將數(shù)據(jù)從PDA傳到電腦上，然后通過(guò)WaterDataHandle軟件將其轉(zhuǎn)換為文本文件，摘錄部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1。 此文本文件中，第1列為x坐標(biāo)，其次為y坐標(biāo)、水面高程、水深，最后的“4”表示PDA通過(guò)4號(hào)端口接受GPS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。測(cè)量過(guò)程中，平面坐標(biāo)采用深圳獨(dú)立坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為1956年黃海高程系統(tǒng)。 將上述數(shù)據(jù)的第3列與第4列相減，便得到平面坐標(biāo)及與該坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的水下地形點(diǎn)高程，從而獲得水下地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)，導(dǎo)入專(zhuān)業(yè)的繪圖軟件即可成圖。 在測(cè)量期間水庫(kù)水位變化微小，可認(rèn)為固定值，而上述測(cè)量數(shù)據(jù)也包含水面高程，測(cè)得水面高程值是隨機(jī)現(xiàn)象，進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)。最大值：23.773m，最小值：23.488m，平均值：23.6705m，標(biāo)準(zhǔn)差：0.0457m，上管制線(xiàn)(+3a)：23.8077m，下管制線(xiàn)(一3a)：23.5333m，樣本量：6829個(gè)。概率分布如圖1。 從上面的圖表數(shù)據(jù)可知，6829個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)中，水面高程值近似符合正態(tài)分布函數(shù)N(23.6705，0.04572)，其中誤差為0.045m。為進(jìn)一步檢核，用全站儀對(duì)水面高程多次測(cè)量，取其平均值得23.682m，與上述測(cè)量數(shù)據(jù)平均值(23