提高大比例尺水下地形测量精度的途径

提高大比例尺水下地形测量精度的途径
摘要：水下地形测量是了解水下淤积的方法之一，随着测绘科技的迅猛发展，实现优质高效的大比例尺水下地形测量已成为可能。

本文首先分析了大比例尺水下地形测量作业流程，其次，以以工程实例为例，就提高大比例尺水下地形测量精度的途径进行了深入的探讨，具有一定的参考价值。

关键词：大比例尺；水下地形；测量精度；途径
前言
水下地形测量是了解水下淤积的方法之一，随着测绘科技的迅猛发展，实现优质高效的大比例尺水下地形测量已成为可能。

它是利用RTK技术、数字测深仪技术完美结合，并利用机动舶船或机动橡皮船作为测量平台，并加以固定，同轴同心同步地采集水下地形点的三维地理信息，摒弃了传统的水下地形地理信息人工采集的作业模式，解决了传统作业模式精度差、效率低的问题，实现了地理信息数据采集和处理自动化，极大地提高了劳动生产率，优质高效地完成生产任务。

笔者承接了多项小范围大比例水下地形测量任务，在实际作业和施工阶段的对比中，发现水下地形野外地形点数据采集中，影响其点位精度（平面、高程）的因素较多（水深、水温、水下地形的变化不同等），测深仪精度差异较大，导致地形图精度无法满足大比例图（1∶500、1∶1000）的要求。

2．大比例尺水下地形测量作业流程
2.1收集测区控制点资料
作业前应先收集测区的控制点资料，包括控制点的坐标、等级、中央子午线、坐标系、是常规网还是GPS控制网、控制点的地形和位置是否适合作动态GPS的参考站。

如无可用控制点，尚需布设及测求GPS控制网。

2.2测区布置及参数设置
在实施水下测量前，应对整个测区进行合理布置，一般应将测区分成若干个测段（测段长不超过10km），且应使每个测段的控制点较均匀的分布在测段内。

同时，还应设置相应的系统参数，如定义要求的配置集、数据保存位置、坐
标系统、天线类型、限差、卫星高度角等。

2.3求出测区转换参数
为保证施测成果质量，可对各测段分别求定转换参数。

根据控制点资料，选用每个测段内至少三个以上的分别有WGS-84 地心坐标和北京54坐标或当地坐标的控制点，由水准网资料可获得选用点的高程，利用系统的相关软件可求解出各测段的七个（或三个）转换参数。

2.4基准站的选定和安置
根据各测段控制点的情况，选择坚实稳定、地势较高、临空面广阔、交通方便的位置作为基准站的架设点。

为保证测量精度，基准站一般架设于各测段的中部，在基准站接收机上输入WGS-84坐标、各相关参数、天线高、作业名、测站名等。

2.5野外测量
通过卫量预报，选择最佳观测时间，实测时在船台要正确输入各项参数及计划施测线，并做好初始化工作。

在施测过程中随时注意系统的工作状态及质量控制因子的变化，当质量控制因子Quality 大于5cm时，即认为动态定位的点位质量较差，此时可稍作等待，直至Quality 小于5cm再行施测。

3．工程实例及精度评价
3.1工程概况
××海塘保滩工程，工程涉及丁坝、顺坝、护岸及“镇脚”抛石等内容，测量要求为施测1 ：1 000比例尺水下、陆上地形，1 ：100比例尺丁坝坝头地形。

在这个工程中的抛石区域、丁坝头及顺坝外侧区域均为水下部分，只能采用水下地形的施测方法，由于施测比例尺的要求所限，采用常规的RTD模式无法达到定位所要求的精度，实测时采用了RTK 模式，即该部分的测量全部采用Leica SR530 双频GPS接收机在RTK定位模式下来进行。

3.2作业原则与特点
大比例尺水下地形测量，最重要的原则是要保证所测测点的平面位置误差不超过±10cm ，高程误差不超过±5cm。

在上述工程中，为使用RTK进行水下
施测，特布测了一个E 级GPS控制网，该网主要覆盖待测区域。

在静态观测平差完成后，为顺利实施RTK ，在已有的GPS控制网中选择分布均匀的部分点位联测几何水准高程，以方便解算七参数。

具体测量过程中，视测段的位置分别架设基准站，流动站接收机输入已解算好的转换参数，在整周模糊度解算成功后，沿设计计划线对待测水下逐一施测，并实时注意质量控制因子的变化情况，为得到较高的高程精度，船台使用了“无验潮”方式且选择在无风或风影响很小的时机施测，为检验其外符合精度，在落潮时用全站仪对部分区域进行了比较施测。

3.3 正确的数据处理方法
水深测量资料处理主要包括GPS定位数据、水深数据、姿态数据及罗经数据的处理。

（1）姿态改正。

姿态改正即利用姿态传感器（MRU）和电子罗经所采集的数据，对定位和测深数据通过姿态改正和归位计算，来获得高精度的河底点三维坐标。

将在测量前校准出的探头姿态安装偏差、各传感器的相对位置配置成需要的坐标系统文件。

设流动站GPS天线到原点的距离为S,换能器吃水为s，探头安
装偏差为dr、dp,某时刻的船体横摇为R横摇为P,瞬时测深值为D,瞬时GPS 天线相位中心高度为H，则河床测点高程H’为：
H’=H-(D+S+s)*cos(R-dr)*cos(P-dp)
结合瞬时的罗经测量数据，通过简单的几何分析就可以计算出水下测点的真实平面坐标。

（2）测深数据编辑。

水深是利用超声波进行测量的。

由于水草、悬浮物、游动的鱼群以及复杂的海底地形引起异常回波，并导致换能器底部检测失败，为此，必须以连续地形为参考对测深数据进行检测和异常数据的校正。

测深数据编辑即以实际测量时的高采样率模拟记录回声图为参考，对测深采样记录进行全面的校对，并对地形特征点进行人工加密。

测深数据编辑不但有效地消除了异常测深的影响，且增加了对河床地形特征的真实全面反映。

（3）定位数据滤波。

即对GPS RTK定位数据中的整周跳变、卫星失锁等非RTK状态引起的异常定位数据进行探测、修复或剔除，提高了平面和高程定位的质量。

（4）时延改正。

在综合分析断面往返测量数据以确定时延量后，对所有已经过姿态改正的数据进行时延改正计算，有效地消除了GPS定位、测深定标及导航软件记录等系统内各单元的综合延时影响。

时延测定表明，GPS和测深系统间在采样中如果存在0.267 s的系统延迟，按照6节船速计算，该时延将会在
定位点和测深点间引起约0.83 m的距离偏差。

为了确保作业无误，可从采集的数据中提取高程信息绘制水位曲线，根据曲线的圆滑程度来分析水深数据有没有产生个别跳点，然后使用圆滑修正的方法来改正产生粗差的点。

3.4 测量结果的精度评估
为检验GPS无验潮测量这种方法的精度，利用常规方法观测的潮位数据，计算部分水下地形高程并与无验潮模式下水下地形测量成果进行比较，以检验无验潮模式下的高精度水下地形测量精度和可靠性。

经过现场检验已满足规范要求，通过业主组织的验收审查。

这种作业方法在今后的大比例尺水下地形测量中将发挥更大作用。

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