2023年基于数字测深系统的水下地形测量研究.docx

基于数字测深系统的水下地形测量研究 孙健 张涛 徐娜 []与普通地形测量相比，水下地形测量流程复杂。提出了使用数字测深系统进行水下地形测量的方法。数字测深系统由定位系统、测深系统、计算机控制集成系统等组成，其中定位系统一般采用GNSS-RTK，测量平面位置；测深系统进行水深测量；测量船是整个系统的载体。工程实践证明，采用数字测深系统进行水下地形测量，工作效率高，精度可以满足标准的要求。 [关键词]数字测深系统 水下地形测量 GNSS-RTK 测深仪 [中图分类号] P2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X〔2023〕-9-188-2 1引言 水下地形测量是水利工程设计、施工的依据。传统的水下地形测量常采用测深杆、测深锤、测深绳结合全站仪进行测量，可以满足汇水面积小、水流速度慢、深度浅水域要求。但是对于水深较深的大面积水域，该方法难以满足测量的要求。随着GNSS-RTK定位技术的开展和数字测深系统的集成，为大面积水下地形测量提供了新的方法。 2数字测深系统 2.1数字测深系统的组成和工作原理 数字测深系统由GNSS RTK、数字测深仪、计算机控制集成系统三局部组成，见图1。 水下地形测量时，将GNSS RTK流动站和测深仪连接在一起，GNSS RTK接收机实时测量得到所在位置的坐标信息，根据吃水深度和测深仪测得的水深即可计算出总体水深，结合水面高程计算该处水底高程。将GNSS RTK测量得到的平面坐标与水底高程整合，即可得到水深点的三维坐标，完成水深测量工作。 2.2 GNSS RTK技术简介 实施动态差分〔Real - time kinematic，RTK〕系统由基准站、数据链、移动站三局部组成。使用GNSS RTK技术进行测量时，基准站连续观测，将观测得到的数据进行处理，并通过数据链〔移动通讯网络或电台〕传送给移动站，移动站同时接收来自卫星和基准站的数据，在手簿上组成差分观测值实时处理，获得观测点的三维坐标。在水下地形测量工程中，GNSS RTK主要用于测量水下地形点的平面位置及水面高程，其精度直接决定了水下地形测量的精度。 2.3数字测深仪 使用数字测深仪进行水深测量时，测深仪发出超声波，超声波在水中传播然后被水底反射，根据超声波在水中的传播速度和时间，从而计算出水的深度。数字测深仪的使用，极大的方便了水下地形测量工作，提高了测量的效率和精度。可以看出，数字测深仪是水深测量的关键，但是数字测深仪的姿态、水底水藻、时间计算等因素直接影响水深测量的精度，在实际测量时，需要做好质量控制工作。 2.4计算机控制集成系统 计算机控制集成系统是将数字测深仪与 GNSS RTK连接起来并组成统一整体的载体，它将GNSS RTK的定位数据与数字测深仪的测深数据进行匹配、取舍、计算、存储， 将所测的数据输入绘图软件生成数字水下地形图。 3工程实践 3.1测量准备工作 〔1〕水下地形测量设计。根据水域的特点，进行测绘网格设计，包括测线位置及间隔距离、测线上测深点的间隔等。在水下地形测量时沿设计好的测线进行测量。 〔2〕GNSS RTK基准站的架设及坐标转换参数的求取。选择地势较高、上空开阔无遮挡、远离电磁干扰的位置架设基准站，并进行设置。由于GNSS RTK测量得到的是WGS84坐标系，而工程建设采用1980西安坐标系或独立坐标系，需要进行坐标转换。到控制点进行坐标校正，并经检核无误后，方可开始测量。 GNSS RTK校正后点精度检查结果为平面位置偏差1.8cm，高程-2.2cm，可以满足地形图测量的精度要求。 3.2水底地形数据采集 检查GNSS RTK流动站工作状态，查看测深仪地理坐标、水深、声速和波浪换能器吃水修正等参数，开始水下地形测量工作。 开始测量后，监视计算机显示屏和外接显示器上显示的测船的实时动态点位及水深数据，控制测船按预设的航速和测线航行。在施测过程中，利用GNSS RTK技术快速定位，指导测深仪根据设计好的间距进行触发测深，按测图要求同步采集水下地形测点的平面位置与高程数据，并存储在文本文件中，完成湖底地形数据采集。 测量完成后，选择46个水深点采用测深杆、测深绳等方式进行精度验证，精度统计结果见表1。 可以看出，本次水深测量的精度较高，检查点中有36点测量误差在10-20cm，约占总数的78%，完全可以满足GB50026-2022工程测量标准的精度要求。 3.3图件整饰与检查验收 将GNSS RTK测量得到的平面数据与水底高程整合，得到水深点的三维坐标。将测量得到的数据展绘到南方CASS、清华山维等绘图软件中，按照GB/T20257.1-2022国家根本比例尺地图图式第一局部：1：500 1：1000 1：2000地形图图式的要求绘制地形图，然后进行资料整理，编写技术总结和检查报告。测量及绘图过程中严格的执行“两级检查，一级验收〞制度。 4水下地形测量的质量控制措施 根据数字测深系统原理可以得知，水下地形测量的精度主要受到GNSS RTK精度、数字测深仪测深精度、GNSS RTK平面坐标与水深集成精度影响，需要从这三个方面做好质量控制。 〔1〕GNSS RTK测量精度质量控制措施。GNSS RTK测量精度主要受到基准站因素、坐标转换参数、作业条件及流动站作业环境的影响。基准站和流动站需要满足GNSS RTK的测量要求，尽量避开高大的建筑物，电磁干扰等因素；流动站的作业半径需要控制在5km以内，取得固定解前方可开始测量；坐标转换参数的求取需要尽可能准确，经精度检查满足要求前方可使用。这样才能保证GNSS RTK的测量精度。 〔2〕数字测深仪精度质量控制措施。采用数字测深仪进行测量时，要保证测深仪的参数设置正确，尽可能保证测深仪测量姿态端正，防止因为测深仪倾斜导致测量精度偏低，直接影响水下地形测量的高程精度。 〔3〕GNSS RTK平面坐标与水深集成精度质量控制措施。尽可能选择在风浪较为平静的时间段进行观测。流动站接收机天线保持适宜的高度以保证GNSS信号不受船体遮挡，流动站接收机姿态要保持垂直，以免因倾斜造成较大平面位置误差。另外，水下地形测量时GNSS的天线与数字测深仪应集成在同一位置，以便于高程数据计算，并防止因天线偏差改正对测量精度的影响。集成GNSS RTK数据时应与数字测深仪的时标同步，防止GNSS RTK所测的平面位置与测深位置不一致造成的精度损失。 5结论 在水下地形测量时，采用由GNSS RTK、数字测深仪、计算机控制系统集成的数字测深系统，提高了测量效率，保证了测量精度，降低了劳动强度，经过检查，其精度可以满足GB50026-2022工程测量标准的要求。但是，在进行水下地形测量时，也需要做好质量控制措施，尽可能的降低GNSS RTK测量误差，数字测深仪测量误差，GNSS RTK与数字测深仪测量集成误差，做好质量控制措施，保证测量精度。当然随着现代测绘技术的快速开展，CORS、多波束测深系统的出现，将会给水下地形测量带来更多的方便。