广州打捞局 510260
摘要：本文探讨了现代水下地形测量的技术，分析各项误差来源，并提出减少误差的措施。
关键词：水下地形测量；GPS；RTK；DGPS；回声测深仪器；坐标转换；误差；质量控制
水下地形测量技术发展迄今为止，出现突飞猛进的飞跃，国际上推出许多先进的水下地形测量设备，如：多波束海底成像系统、侧扫声纳、浅层剖面仪等等。近年又出现了数字成像式测深仪，该技术用先进数字处理的方法捕捉水底回波信号，精度高又稳定可靠，用电子闪存，可存储大量的图像数据。基于这个技术，现代水下地形测量的模式几乎都是利用GPS测定水底点的平面位置，利用测深仪测定深度，再用专业软件绘制成水下地形图。
1 现代水下地形测量的一般的步骤
1.1现代水下地形测量定位方法
以往进行水下地形测量的时候，往往是用陆地上的定位仪器，如经纬仪、电子全站仪等，进行一个一个点的打水砣测量，再组成断面，通过人工记录的方式，既费时又精度低。全球定位系统（GPS）技术出现之后，由于GPS具有全球、全天侯、实时连续、高精度等特点，很快被引入到水下测量定位的应用。
目前，我国沿海地区已建成多个DGPS基准站（信标台），已达到亚米级的定位精度，在飞机车船导航、交通管理、海洋物探、海洋测量等方面得到了广泛运用，DGPS（差分全球定位系统）是以已知点作为基准点，基准点的GPS接收机连续接收卫星信号，并与已知点的位置进行比较，确定当时误差的伪距修正值，将这些修正值通过无线电台接收，用户接收机接收修正值来实时校正GPS信号。RTK DGPS定位已达到厘米级的定位精度，在水库测量、内河水道测量中已广泛应用。RTK DGPS定位技术进行水下地形测量与岸上基准点交会法、极坐标法定位相比，具有极大的优势，特别是水下地形测量，可以大大缩短工作周期，减轻劳动强度。
目前水下地形测量定位使用较为多的为DGPS定位。设置DGPS进行水下地形测量一般设备如下：
WGS84坐标系与测区坐标系的转换一般采用三维转换，用布尔莎—沃尔夫模型求解七个转换参数，其中，三个平移参数，三个旋转参数，一个尺度因子。还可以用多项式逼近转换法等。北京54坐标与测区的坐标为二维坐标转换关系，利用四参数转换方法，可以求出测区坐标系统的转换关系。
1.2 现代水下地形高程测量方法
目前用竖直波束回声仪进行水深测量是水深数据采集的主要手段（如广州中海达测绘有限公司的HD系列测深仪器）
它安装在测量船底的发射换能器垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底后产生回波，回波被接收换能器所接收，发射声波与接收回波的时间t，则换能器表面至水底的距离。
测深仪在使用前，应进行动态、静态比对试验，有多套测深仪时应进行交叉比对，只有一套仪器时，可以用测深杆进行比对。回声测深仪的安装，一般安装在测量船的中舷处，因为中舷处在航行中吃水线的变化最小。测深仪换能器以安置在水下40cm~50cm至船底略高位置为宜，但要避免碰到水下障碍物。
对回声测深仪进行设置的内容主要有：吃水深度的设置、测深量程的选择、声速设定、记录速度或距离设定等。
在流速较小，水质较好，水底底质较硬的时候，可以采用水深量程的自动档。在流速较大或者海洋测量的时候，要根据测区的水文情况进行声速的校核，选择恰当的声速。
由于进行水下地形测量的同时要观测测区的潮汐水位，要合理有效地布设水位站，对水下地形测量质量控制为重要意义，它直接影响水深点的测量精度。
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当水面为静态时，勿需布设水位站，用全站仪或几何水准方法测得水面高程即可。
当水面为动态时，水位站选择也应尽量避免受潮汐风浪影响，交通应方便，便于观测。
水位站要有专人观测，观测的时间间隔可以根据水位变化情况而定，在有风浪的情况下观测，应取峰顶与峰谷的平均值。
有别于地面测量，水下地形测量应根据天气、风浪、潮汐等情况，合理安排时间，当风浪较大，气候恶劣，影响人身，仪器安全时，应停止测量。
2 水下地形测量的质量控制
2.1 基准站的合理选择和流动站的合理设置
GPS基准站的坐标精度要可靠准确，它是水下地形测量的基础。根据测图比例尺和精度的不同需要，选择测区附近的控制点或信标台作为基准站，选取的控制点要用电子全站仪进行校核过才可以使用，其次要选择卫星信号比较好的时段观测，避免信号干扰和建筑物阻挡，特别是对电磁波干扰比较大的钢结构体，并确保流动站在有效的信号辐射范围内，保证数据传输链稳定可靠。
GPS流动站接收机天线要置于没有阻挡的地方，如测量船的中舷无遮挡处。要避开过于振动的地方，如船发动机附近，以免损伤仪器。在捆绑固定的时候，要与换能器在同一垂线上。测量开始前，观察GPS软件中卫星信号的质量指标，包括卫星数目，卫星高度角，PDOP值。
2.2 坐标系统转换关系的正确求解
DGPS测量是在WGS-84坐标系中进行的，而水下地形图平面通常采用1954年北京坐标系，1980西安坐标系或地方坐标系、测图坐标系，高程则采用1985国家高程基准，因此三维坐标的转换关系正确求解非常关键，事前进行坐标转换，将转换关系先输入流动站GPS接收机来进行动态定位。无论多项式逼近转换还是用布尔莎模型转换，转换点的分布要足够多。因为平面位置误差随基准站与流动站的距离增大而增大，当测量范围较大时，在不同基准站间的结合部，应进行检测，避免误差积累过大。下面举个工程实例讨论下水下地形测量定位的坐标转换。下边以广州某疏浚工程为例，讲述如何由于施测的坐标系统为北京54坐标系，而该隧道工程的设计坐标系统为广州市城建坐标系统，在开挖前需进行坐标系统的转换。
在进行水下地形测量的时候，根据设计提供的设计坐标，使用电子全站仪和GPS测量出3个测量点的北京54坐标和广州城建坐标。
2.3 仪器参数的合理设置
测深仪涉及多项参数的设置，合理设置仪器才能提高测量的质量。测量水深前，要详细了解测区的各种水文信息，如水深，水密度和流速等，选择合理的声速和发射功率， 利用专业的比对器进行比对试验，记录比对试验的结果，计算水位修正数，输入修正参数进行调试仪器。
2.4 控制水位、波浪的影响
水位、波浪的影响测深的基准面，有时水位、波浪影响误差可以大于测深仪的测深误差，这时合理地布设水位站和消除波浪影响至关重要。按照测区的测量精度要求，尽量在气象条件较好的时候进行观测，波浪对测量船的影响主要反映在吃水数值上，一些配备涌浪仪的测深仪可以解决这个问题，按照《水运工程测量规范JTJ203-2001》规定，在内河风浪大于30cm、海域风浪大于60cm时应停止观测。
2.5资料后处理和绘制成图
用专用的水下成图软件，处理测量原始数据的时候，要加上潮位改正，为了提高处理成图的精度，要加上声速改正和动态吃水改正。对于面积比较大的测区，还要设立验潮站的水位改正方案，这样才能更合理的进行水位改正。
在数字化水深取样的时候，打开原始水深文件，为了提高定位精度，最好选取定位点为水深采样处，确定好取样间隔，尽量不要使波浪平滑，这样会降低成图的精度。
后处理完成后，通过软件可以生成AUTOCAD的图，在打印出图前可以在AUTOCAD中再一次检查各个水深测量点，发现异常可以马上回后处理成图软件中修正。
结束语：
GPS测绘定位新技术在未来的测绘行业将发挥越来越大的作用，而动态GPS-RTK定位技术，使水下地形测量走上了自动化测深的轨道，彻底改变了传统的测量作业方法。进行水下地形测量的时候，通过各部分合理设置和检验校核可进行测量过程中的质量控制，制作出高精度的水下地形高程图。
参考文献
[1]《现代大地控制测量》 施一民 测绘出版社 2003
[2]《中海达测深仪操作手册》 中海达测绘有限公司 2003
[3]《WGS-84坐标与北京54坐标的转换问题》王解先 王军 陆彩萍 同济大学测量系
论文作者:江巨桓
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/13
标签：测量论文; 水下论文; 地形论文; 坐标论文; 水位论文; 水深论文; 坐标系论文; 《建筑学研究前沿》2018年第25期论文;