胡旷
湛江市海域使用测绘队 524039
摘要：近年来，随着GPS载波相位差技术（RTK）的发展，GPS技术越来越成熟，在数字制图中得到了广泛的应用。与传统方法相比，GPS水下地形测量具有速度快、精度高、节省人力、测量方便等优点。动态GPS定位技术的优势、工作效率和经济效益显著提高。
关键词：GPS；水下地形测量；原理；应用
一、GPS定位技术概述
GPs即全球定位系统（Global Positioning Sys.tern）的基本原理是卫星不断地发送自己的瞬时参数和时间信息，用户接收到的信息，利用测距交会原理，计算接收机的三维坐标、速度和时间信息，从而起到定位和导航的作用。系统提供的当前GPS定位精度优于10中，为了获得更高的定位精度，通常采用差分GPS技术：把一个GPS接收器在基准站点上观察，根据基站已知精确坐标，计算正确的基站距离卫星和基站将发送实时数据。除了GPs观测外，用户接收机还接收基准站发送的校正数，对定位结果进行校正，从而提高定位精度。差分GPS主要分为伪距离差分和载波相位差两大类。后者具有较高的定位精度（可达cm级），常用于高精度测量工程和研究中。
二、GPS结合测深仪的测量原理及优点
结合测深仪和GPS技术、GPS天线的探测器和测深传感器安装在相同的平面位置，布置上一艘小船，在同一时间，以确保RTK数据和测深数据同步传输到PC，探测器工作时根据基站通过电台发送正确的测量值的实时修正数本身，明白了厘米级精度平面坐标和实时传输到电脑，同时数字测深仪获得的平面位置的水深数据发送到PC，PC的观察表面高程平面位置水下点计算高程坐标，水下点的三维坐标是由RTK获得的平面坐标，然后将数据导入到数字地图软件编辑和生成所需的水下地形图。
Gps-rtk结合测深仪测量定位点坐标和高程水下地形的水库，并直接安装了GPS站天线测深仪换能器的正上方，以确保GPS点位于同一铅垂线测量过程中测量。在测量过程中，当传感器的底坐标和仰角由GPS测量时，固定点的深度可以由测深仪来确定。水下固定点的高度为GPS测得的高度与测深仪测得的深度之差。换能器的坐标也是固定点的坐标。在RTK工作模式下，GPS可以实时获取待测点的坐标高程，定位精度可以达到厘米。目前，10Hz是GPS输出的一般频率，而其高度一般可以达到20Hz，这只能在很小程度上延迟定位位移。通过软件控制的位置时间测深仪和GPS定位延时，控制GPS数据采集和测深仪软件的深度应该安装在电脑里，所以GPS数据采集和测深仪的深度深度同步控制。在测量过程中，测量数据主要由计算机显示在计算机上。所采集数据的稀疏性可由计算机确定，并可根据相应软件进行导航，使测量数据在测试区域范围内得到保证。
与传统的水下测量方式相比，GPS结合测深仪具有以下优点：一是定位精度较高。GPS结合测深仪的精度可达厘米，比传统的水下测量方式高出一级。其次，它有更高的工作效率。传统的水下测量是一项劳动密集型的工作，通过GPS结合测深仪的测量方式完成整个数据采集工作只需3人，可以根据实际需要进行补充测量。三是地表变化，但水下地形点的高程不受影响，可以通过设置直接获取。然而，传统的水下测量模型会随着水面高程的变化而变化，难以处理，影响测量精度。第四，GPS结合测深仪的测量方式不受环境和时间的限制，可以实现全天候运行。
三、定位和测深是水下地形测量最基本的内容，构成了水下地形测量的两大主题
在水面上定位先后出现了天文定位、六分仪定位、经纬仪定位、无线电双曲线定位、物理测距定位、水下声标定位、全站仪定位、GPS定位等方法。目前，最常用的是全站仪定位和GPS定位。全站仪测量定位仅适用于港口及沿岸。而GPS定位具有全覆盖、全天候、高精度的特点，特别是RTK的定位精度可达厘米级，在水上定位得到了广泛的应用。
在测深方面，先后有测杆、测锤、回波测深仪、双频测深仪、精密智能测深仪、多波束测深系统、侧扫声纳、机载激光测深、遥感测深等方法。此外，美国、澳大利亚、加拿大、前苏联和瑞典等国家开发了机载激光测深系统，50 ~ 100米的穿透深度，其穿透深度为50～100米，测深精度为±0.3～±1米不过测量深度较浅（小于7米），一般用于海洋调查。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从海洋测深角度来看，单波束精密测深仪和多波束测深系统是重要的测深设备，分别适用于浅海区和深海区。
水下地形测量硬件发展的同时，软件也得到了飞速的发展，国内外相继出现了各种水下地形测量软件。具有代表性的是美国Coast2Oceanographics公司开发的Hypack，其用户覆盖全球权威水文测量机构，诸如美国和欧洲各国海岸警备队、NOAA、各国海事局及大学研究机构等。不过，Hypack也有不足之处：一是价格昂贵；二是软件复杂，需要对施工人员进行培训；三是软件中不能自主添加功能等等。南方测绘仪器有限公司开发的自由行软件是一款优秀的国产水下地形测量软件。它紧密结合国内用户需求，操作简单、功能齐全、可扩展性好，可满足水下地形测量、江河航道测量、工程勘探定位、港口引航、物探钻探及地震放样的需求。
水下地形测量的基本任务是测定水底地形点的平面坐标及该点的海拔高程，平面坐标一般由GPS接收机负责测定。由于GPS接收机测定的是WGS-84大地坐标。所以必须将WGS-84的大地坐标转换为最终所需的平面坐标。空间直角坐标系XYZ1至XYZ2的相似变换一般有三个平移参数，三个旋转参数，一个缩放参数，共七个参数，所以俗称七参数。提到七参数需要注意两个问题：一是模型问题，在我国常用布尔莎模型，但这并不是唯一的模型，实际应用时必须考虑到这种差异会导致计算结果不一致，甚至大相径庭；二是转换方向问题，比如：有一套WGS-84与北京54之间的七参数，使用这套参数前必须清楚它是从WGS-84转换到北京54的还是相反的情况，这两种情况计算出来的结果相差会很大。
GPS测得的坐标是WGS-84大地坐标L、B、H，直接使用大地坐标
是很不方便的。如：给定A、B点的大地坐标，如何计算A至B的方位和距离？解决的办法就是将A、B点按一定的规则转换到一个平面内，这个转换规则就是地图投影。
地图投影有很多方式，如：等角投影、等距投影、等积投影。每种方式都有若干的计算方法，在此就不一一介绍了。其中应用最广泛广泛的高斯——克吕格投影。
水底地形点的高程一般有两种方法获得：一是通过GPS高程传递到水底，这种高程被称为无验潮高程；二是通过水文站观测的水面高程传递到水底，这种高程被称为验潮高程。无验潮高程计算很简单，而且可以实时获得，但是由于大地水准面的复杂性导致有时推算出来的正常高精度很差，特别在山区，这种情况尤其明显。所以，验潮高程的计算还是很重要的。验潮高程有静态验潮模型和动态验潮模型[36]，常用的是静态验潮模型。静态验潮模型中，计算验潮高需要多个坐标已知的水文站，每个水文站每隔一段时间都要测量一下水面高程。计算任一时刻t、任一位置（x，y）水面高程的步骤如下：
1）根据水文站观测资料内插计算出时刻t各个水文站的水面高程Hi。
2）根据各个水文站的坐标（xi，yi）及水面高程Hi计算出（x，y）的水面高程H。计算方法与高程异常的计算类似，可以使用多项式模型、距离加权平均模型等。
在实际使用无验潮方式进行水深测量时，测量结果精度会由于船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成的误差的影响，这些误差远远大于RTK定位误差，从而成为无验潮方式水深测量精度提高的瓶颈因素。
动态吃水改正指的是测深船的静态吃水深度加上船体自重下沉和颠簸的总和，是需要求平均值的不定值，是精密水深测量的重要误差来源。船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数，通过专用的测量软件进行修正。GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度，现在大多数RTK方式下GPS输出率都可以高达20HZ，而测深仪的输出速度各种品牌差别很大，数据输出的延迟也各不相同。因此，定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到，也可以采用以往的经验数据。
RTK高程用于测量水深，其可靠性问题是倍受关注的问题。在作业之前可以把使用RTK测量的水位与人工水准观测的水位进行比较，判断其可靠性。为了确保作业精度，可从采集的数据中提取RTK高程信息绘制水位曲线。根据曲线的平滑程度来分析RTK高程有没有产生个别或部分点出现急剧升高或降低的情况，然后使用修正的方法来改正个别高程存在错误的点。
结束语
综上所述，与传统方法相比，GPS水下地形测量具有速度快、精度高、节省人力物力、测量方便等优点。随着电子技术的飞速发展，GPS结合测深仪已成为水下地形测量的重要工具。GPS定位测量技术在水下地形测量中具有良好的应用优势，能够快速、准确地计算航道宽度、水深、里程等一系列重要参数，为工程实践提供了很大的应用。
参考文献：
[1]汪志明.差分GPS和测深仪组合系统在水下地形测量中的应用研究 2017
[2]王飞，尹晓彬.水深平差系统设计及其在水深测量中的应用 2016
[3]高成发，赵毅.差分GPS水深测量系统在港口工程中的应用 2017
论文作者:胡旷
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第18期
论文发表时间:2019/3/26
标签：测量论文; 高程论文; 水下论文; 坐标论文; 地形论文; 精度论文; 水深论文; 《建筑细部》2018年第18期论文;