华南农业大学资源环境学院 广东广州 510642
摘要：水下地形测量是工程测量的一个重要组成部分，随着科学技术的发展，产生了一些新的测量方法并逐渐取代了传统方法，在介绍GPS结合测深仪进行水下地形测量的原理、测量精度的分析的基础上，引入工程应用实例，阐释了该方法在工程实践中的应用步骤和所要注意的事项，并与传统测量方法作比较，总结了GPS结合测深仪在水下地形测量中的优势并利用ArcGIS软件对水底地形图进行分析。
关键词：GPS 测深仪；水下地形图；精度分析；ArcGIS
Abstract：Underwater topographic survey plays an important role in the engineering survey.Along with the technical development in science，generates some new measure methods and gradually replaced the conventional measure methods.This paper introduces the principles，precision analysis of underwater survey using GPS and echo sounder.The author combines with the practical of engineering，and narrates the methods and cautions in the application of engineering practice，and compares with the conventional measure methods to sum up the advantages of GPS combines with the echo sounder in the underwater topographic survey，and also use ArcGIS to analyze the underwater topographic map.
Key words：GPS，echo sounder，underwater topographic map，precision analysis，ArcGIS
0 引言
随着国民经济快速发展，各种工程建设蓬勃发展，对施工各个阶段的测量要求越来越高，需要更精准，特别是一些水下地形测量应用越来越多。因为航行的需要，在测绘领域很早就有了各种勘测水下地形的经验，在实际运用中又根据大量经验总结了一些比较高效率的方法。但是经济科技的快速发展，传统的方法不能精确高效地提供大量的地形信息，而卫星技术的日渐成熟，是空间测绘成为一种可能，为水下地形测量来了一次革命，本文主要就是介绍GPS结合测深仪在水下地形图测绘中的应用，并用传统方法与之对比，突出其高效、准确、经济的特点。
1 传统水下地形测量方法及工作局限
水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。以往测深主要靠水尺法、竹竿法、重锤法进行。采用水尺法、竹竿法劳动强度加大并受使用测竿长度的限制，一般只能测5m以内的浅水，测区内水的流速不宜大于1m/s。但这种方法至今仍是浅水区测深精度最高的方法。重锤法比水尺法测得深，一般能够到达15m。但劳动强度大也不宜用于水深湍急处，在流速大的水域，由于测绳的漂移会使得所测得的水深值偏大，因而对水流的要求是要小于1m/s，测完后还要作测深绞绳的偏角改正等计算工作，处理起来比较繁琐。
这些传统方法都是以行驶的测船为目标，在岸上架设两台经纬仪或一台经纬仪与测距仪（或全站仪）同时照准目标测船，与此同时水深测量工作要同步进行。具体的操作方法是在已知点上安置测距测角仪器，测定目标船的方位及到测站的水平距离，从而确定船的平面位置，然后再利用静水面高程及目标船所在位置的水深求取水下点的高程。
因而这些方法劳动强度大，对外界条件的要求也较高。特别是要求水面平静或水流流速较小，水流流速较大的时候操作起来就不方便了。
2 GPS结合测深仪测量工作原理
2.1 工作原理
随着计算机软件硬件、电子声纳、全球定位系统等技术的快速发展，这些科学设备为GPS与测深仪相结合起来使用提供了可能。如今，将GPS与测深仪结合起来进行水下自动化测量的数据处理系统已经被广泛使用，这不仅大大减少了工作强度，提高了效率，而且精度上也得到了很大的保证与提高。
GPS和测深仪组合测量系统主要是有两个部分组成，就是基准站和流动站两部分。基准站是有GPS接收机这两部分组成；流动站由计算机、测深仪、GPS接收机、测量软件和其他计算机外部设备组成。GPS与测深仪这两者的组合系统就构成了“GPS+测深仪+PC（内含处理软件）”的测量模式，通过RTK技术测得水面上任意一点的高程以及平面坐标，然后再通过测深仪获得该点的水深，最后通过软件解算出与该点垂直相对应的水下点的三维坐标。
这种组合系统的工作原理是：在测量之前，先将GPS流动站的天线和测深仪的换能器都安装在同一平面位置，并将它们安置在同一条船上面，系统工作时，基准站会通过电台不间断发出改正数，流动站就会根据其发出的改正数实时的改正自己的获得的测量值，然后就会把获得的高精度的点位平面坐标实时传送到计算机上面；计算机也会实时的收到测深仪得到的该平面的水深数据，然后计算机软件就可以通过观测的水面高程计算出该平面水下点位的高程坐标，再结合之前RTK得到的坐标数据组成了水下点得三维坐标。后期就可以通过绘图软件绘制水下地形图。
2.2 GPS结合测深仪在水下地形图测绘的优点
1.精度高。通过RTK技术获得的测量数据精度可达毫米级，大大的提高了测量精度。
2.同时同步观测。测深仪信号以及RTK信合可以同步被导航软件接收，处理过的数据会被直接保存在一个文件夹内，这很好的解决了传统测量方法中存在的数据滞后的问题，大大提高了测量的质量。
3.效率高。在没有运用RTK加测深仪这个组合系统之前，需要操作员不间断的跟踪目标，而且操作繁琐。运用这种组合之后，实现了自动化，数字化，大大降低工作人员劳动强度。
4.适应性强。在条件允许情况下，可用于全天候工作。
3 测量精度分析
在水下地形实际测量过程中，不可避免的会受到一些系统误差或偶然误差的影响，由于船体姿态的摇摆、超声波声速的变化、RTK采样速率与延迟以及RTK的高程可靠性等一系列误差的影响，导致测量精度偏低，所以在实际操作的时候应当采取相应措施来修正或减少这些误差所造成的影响。
3.1 船体姿态修正
在测量过程中，由于风浪的影响，会导致船体姿态摇摆，从而导致船上的GPS接收机平面位置和测深仪的换能器的波束角产生相应的变化，从而引起定位和测深误差。其误差产生原理如下：
3.3 RTK采样速率与延迟
RTK为实时动态测量，在联合作业系统测量时，为了保证点位坐标测量的准确性，要尽可能的保证GPS和测深仪所测的数据在时间上具有一致性，而 GPS采样速率和数据传输速率与测深仪的输出速率存在时间延迟，将直接影响到瞬时采集的精度和密度。因此，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。
3.4 RTK的高程可靠性
RTK 高程用于测量水深，其可信度问题是倍受关注的问题。为了保证水下地形测量平面位置和高程的准确性，在施测前应对水面的高程进行测定，分别以RTK 直接测定的数据与人工所测数据进行比对检查，确保数据正确后，开始正式作业，实践证明 RTK 高程是可靠的。
4 应用实例
4.1 测区概况
测量所选的河道位于广州市南沙区，政府为了对河道进行监管改造，需要提供1：500水下地形图。测区范围长900m，宽60m，最深水深4m。所测范围包括河道及河两岸15m内的地形地貌，在所测范围之内，经常有船只停靠，而且岸边有蕉林，测区内地形复杂。
4.2 仪器设备及软件配备
仪器设备：测船，中海达测深仪设备主要包括测深仪主机、换能器、连接线、固定杆、蓄电池、拉绳等，南方GPS设备主要包括GPS基准站、GPS接收机、天线、电子手簿、电台、蓄电池、连接线、三脚架、碳纤杆等。
软件配备：中海达测深软件、南方CASS成图软件、电子手簿中自带的软件。
4.3 坐标系统及高程系统
平面坐标系统采用当地坐标系统，高程系统采用珠江高程坐标系。
4.4 前期准备
4.4.1 架设基准站
按照要求依次用连接线连接GPS主机，电台，天线，蓄电池。基准站切换成基准站模式，并使用基准站电台发射信号开机，等待卫星足够基准站就会开始工作，基准站开始工作后SAT灯以发射间隔均匀闪烁。
4.4.2 配备流动站
将GPS流动站架设在碳纤杆上，安装好天线，将移动站切换成移动站模式开机。利用电子手簿新建工程，采用北京54椭球坐标系，输入中央子午线114°，将测量模式设置为RTK模式，设置好基准站参数，电台参数，点击点测量。已知测区周围有4个已知点，先用流动站将四个已知点测出，在测的时候要保证碳纤杆圆水准气泡严格居中以保证所测精度，然后求转换参数，输入已知点坐标，增加原始点坐标，将参数求出并保存。
4.4.3 布设航道计划线
根据原有地形图已测河岸断面线布设水面断面线。
4.4.4 装备测深仪
首先，将测深仪换能器安装在测船中间，换能器吃水深度大约在30cm左右，再将移动站从碳纤杆上取下，装在测深仪换能器安装杆上，要保证GPS接收机垂直于水面。安装完毕后，利用连接线将测深仪主机、换能器、GPS接收机、蓄电池等连接，保证设备正常工作。如下图所示按照要求将测深仪装置在测船上：
4.5 水下地形测量作业流程
打开测深仪软件，新建项目，设置坐标系为北京54椭球坐标系，设置投影，将RTK电子手簿里面求出的四参数、七参数输入到里面，由于本次实验为无验潮，记录设置应选为RTK固定解，记录设置选择每个定位都输出都记录，航迹记录选为按实地行走距离隔5米记录，再进行端口分配设置，定位仪接口、数据格式设置，船形设置，天线改正设置，最后再将航道计划线调入，开动测船按照航道计划线行驶，并进行测量。
数据后处理
利用测深仪自带处理软件处理所测的原始数据并进行水深取样，生成水深线，将有异常的数据用鼠标拉到正确的水深值上，最后进行格式转换，将数据转换为南方CASS格式，利用CASS软件完成制图工作，即对水深资料的分析和深度改正，展野外测量点，注记高程，绘制河道两岸地物以及绘制等深线，并进行编辑处理，形成所需的测量成果——水下地形图。
4.6 成果输出
将做好的水下地形图通过打印机或绘图仪输出，并连带原始数据一并交予相关单位。
水下地形图
4.7 应用注意事项
1.基准站架设时应放置在空旷的地区，上空不能有遮挡，而且还要避开无线电站、高压线、变压器等有无线电干扰区。基准站所在地基要坚实牢固，三脚架可采用厚重的木脚架，以便于保证基准站不易被大风所吹动。在基准站工作时，应当配备专业人员在旁边看守，防止他人触动。
2.在GPS接收机工作开始和结束时，要分别对已知点进行校验，保证测量精度，还要对测深仪进行校验，保证所测水下地面点的精度。
3.在进行水下地形图测量过程中，要尽量保证测船船身平衡，如果船身倾斜，将会对测深仪水深测量和GPS坐标定位产生比较大的误差，在水流平缓的情况下应当减速慢行，以便保持船体平衡，在水流湍急的情况下最好采用自身质量比较大的船体或者等待水流趋于平缓时再进行测量。
4.在数据采集过程中，只有RTK处于固定解状态以及侧身数据显示正常的情况下，才能进行存贮，否则应当重新测量。
5.在测船行驶的过程中，应当注意不能让水中的杂草、垃圾等缠绕在测深仪换能器上，导致发射信号不稳定。
6.在施测前应当保证蓄电池的电量足够，因为GPS基准站和测深仪都需要电源足够时才能正常工作。
7.测量人员要时刻保持最好状态去进行工作，只有这样才能将工作做好，不会出现大的失误。
4.8 地形图分析
将所得到的的水底地形图导入ArcGIS软件中，先导出数据，转换为shapefile格式，使用ArcToolbox里3D Analyst工具中的TIN（Triangular Irregular Network不规则三角网）管理创建TIN，然后再将TIN装换为栅格，生成DEM。
方量或容积分析：通过建立TIN模型，将整个计算区域内的水下地形形成三棱柱集合。根据设定的水位值确定计算平面，再以选定的区域确定计算区域，水位平面与河底地形曲面的差值即为容积结果。可使用ArcToolbox里3D Analyst工具中的功能性表面内的表面体积工具，输入表面为TIN，参考平面为BELOW，平面高度为0，即可得到容积。
剖面分析：基于TIN模型，根据剖面线端点在等深线中的位置得到端点的水深值，并计算剖面线与模型中等深线的交点，根据交点位置计算交点的水深值，依次连接端点和所有的交点得到剖面分析结果。地形剖面图的作用在于帮助我们对某一地区沿剖面线地带的（地势起伏）状况有准确的了解。河道剖面分析是河床演变分析的基础，基于不同测次不同数据源类型的剖面数据，可从时间、空间的角度来揭示河道的冲淤与演变情况。可使用3D Analyst工具条中线插值工具创建线，再点击创建剖面图工具，生成剖面图。
冲淤分析：利用上述建立的DEM模型，确定需要作比较的两期数据，利用它们的DEM模型，将两个DEM模型叠加相减，得出差数值即是比较的结果。同一地方不同时间的冲淤量问题是分析水下地形中经常关心的事情，为生产和研究提供依据。在利用模型叠加分析时，需要注意以下两个方面的问题：①模型相叠加的条件并不是任意两个DEM模型都可以叠加，两个模型需要具有相同的格网参数才能进行叠加。②冲淤量的计算通常采用断面法，即通过断面的面积与间距相乘累加得到。
5 结论与讨论
GPS的技术应用在今后是无可限量的，其与测深仪的结合，为水下地形测量提供了保障，促进了水下地形测量的发展。采用先进的水下地形测量方法，可大大提高水下地形测量的工作效率和精度。因此，随着时代的发展，GPS和测深仪的结合必将在水下地形测量中起到不可或缺的作用，在今后水下工程建设中必将越来越重要。
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论文作者:赵理,叶浩,张俊杰,林钊明,林观土（通讯作者）
论文发表刊物:《基层建设》2015年17期供稿
论文发表时间:2015/12/3
标签：水下论文; 测量论文; 地形论文; 高程论文; 地形图论文; 水深论文; 基准论文; 《基层建设》2015年17期供稿论文;