无验潮模式下的GPS水下地形测量的应用[]

无验潮模式下的GPS水下地形测量的应用[]
摘要：本文介绍了无验潮模式下GPS水下地形测量的工作原理，着重分析了船体姿态对测量精度影响，归纳总结了该模式下水下地形测量的工作流程和提高测量精度的相关措施，同时结合工程实例验证了无验潮模式下的GPS水下地形测量符合绘制大比例尺地形图的精度要求。

关键词：无验潮模式；GPS；水下地形测量；精度分析
1 引言
传统的水下地形测量为了获得每一时刻的潮位，需设立验潮站以进行验潮观测，将观测的潮位资料进行内插，以作为水下地形点高程的起算面。

此方法工作量大，并且当测区超出验潮站的有效作用范围时将难以获得水下地形高程数据。

随着OTF技术的日益成熟, 整周模糊度可以在很短的时间内被精确确定, 从而保证了GPS载波相位实时差分技术（RTK）能够在动态环境下获得厘米级的水平定位精度和高程定位精度[1]。

这使得在无验潮模式下采用GPS-RTK进行水下地形测量成为可能。

本文通过不同水域的工程实例论证采用GPS-RTK作业方式的可行性与可靠性，并且详细叙述了水下地形测量的作业步骤。

2 无验潮模式的水下地形测量原理与方法
2.1 工作原理
在无验潮模式下，在已知点上架设基准站，同时将GPS流动站架设于换能器正上方，利用GPS差分测量精确获取流动站相对基准站的相对高差，并通过该相对高差反求流动站的GPS相位中心的高程，利用测量所得的GPS高程以及测深数据，从而求出水底地面高程[2]。

测量原理如图1所示，
图1中，已知点的正常高为，基准站天线高，流动站天线高（GPS天线相位中心到换能器的垂距），测深数据为，基准站GPS天线处的大地高和正常高分别为，，流动站GPS天线处的大地高和正常高分别为，，高程异常为。

由图1可知，基准站、流动站天线相位中心的正常高为：
(2)式中为换能器相对于高程基准面的瞬时高程。

当基准站与流动站之间的距离不是很远(30KM以内) 时，则下式成立
(3)
顾及式(1)、(2)，则为
(4)
故水底地面的高程为
(5)
上述测量方法摒弃了传统的潮位观测，实施操作起来简单、快捷，大大提高了工作效率。

但是，采用此方法时船体姿态对测量精度有一定的影响。

如图2所示，联杆长度L，θ为测深仪的半波束角。

由于波浪造成船体晃动，从而使连接换能器与GPS的联杆在垂直方向产生倾斜倾角，从而导致GPS 测量产生水平位移ΔS和垂直位移Δh。

(6)
(7)
由上式可知ΔS、Δh的大小主要受和L影响，L主要是由仪器决定，一般在2米左右，取L为2米，ΔS、Δh受大小的影响见表1。

由表1可知，采用无验潮模式水下地形测量时应尽量选择波浪较小时测量，因船体姿态而造成的应尽量控制在6°以内。

联杆倾角增大对GPS的平面精度影响较大，而对高程影响较小，故在波浪较大的水域测量时应对GPS平面位置进行改正，当联杆倾角达到15°时，高程影响将无法忽略，需对高程加以改正。

同时当时，测深仪信号将超过半波束角范围，将产生附加的测深误差，应加以测深数据改正[3]。

2.2 工作流程与质量控制
2.2.1 工作流程
（1）计算测区WGS-84坐标与地方坐标系的坐标转换关系。

测量测区中均匀分布的4个以上已知点，通过GPS测得的WGS-84坐标与已知点的地方系坐标，计算出两坐标系之间的转换参数，可采用Bursa模型计算[4]。

（2）基站设置。

在已知点上架设基站，设置基站的投影形式，中央子午线经度，坐标转换参数等参数，同时设置流动站相应参数。

并将流动站架设在已知点上检验坐标转换参数是否符合测量精度。

（3）流动站设置。

将GPS流动站与测深仪连接，并将联接杆垂直固定在船的中部。

通过连接线将GPS与测深仪相应端口相连，在测深软件中设置测深仪的端口、吃水、采样频率等参数以及GPS流动站的端口、天线高、坐标转换参数、采样率等参数。

运行导航软件，并通过测绳测量几个水下点，与测深仪测量水深进行比较，检查测深仪水深精度是否符合测量精度。

（4）测线设置。

根据成图需要，在导航软件中沿着垂直水流方向布设测线，测线及测点间距离应根据地形、成图比例等要求合理设置；然后根据设置的测线进行测量。

（5）内业处理。

将测深的原始数据进行异常高程的删除后，按照相应的数据处理模型对数据进行处理，改正相应的数据，然后将数据文件导入成图软件，绘制地形图。

2.2.2 质量控制
（1）由于采用无验潮模式进行水下测量，对GPS测量的平面和高程精度要求较高，在计算坐标转换参数时，应选择测区中分布比较均匀的控制点进行计算，由于小范围的高程异常只有厘米级的起伏，故采用测区内七参数进行转换可达到精度要求。

当控制点质量较差时，可采用高程拟合方法控制GPS高程测量精度。

（2）在固定连接GPS和换能器的连接杆时，应将其固定在船的中部以减少船体姿态对其影响，同时应保持其垂直于水面，GPS数据采集条件应采用固定解模式。

（3）由于船体姿态对测深精度影响较大，故应在水面波浪较平静时进行测量，如波浪较大，须对观测数据进行模型改正。

（4）由于采用GPS RTK进行定位和测高，测量时应选择合适的基准站，以避免周围电磁的影响以及流动站失锁而影响工作效率和精度[5]。

（5）在江河水下测量时，由于水下淤泥较厚，对测深信号影响较大，应对换能器脉冲信号相应参数在不同区域进行人工调整以保证其测深信号稳定，同时应控制船速不宜过快。

3 实验数据分析
根据上述原理和方法，在两个不同的水域进行了实验，一个是在山东烟台荣喜码头的近海，使用Trimble 5800 GPS接收仪和南方SDE-28测深仪进行1平方公里水下地形测量，另一个是在上海宝山区附近的长江沿岸，使用南方灵锐S82的GPS与SDE-28测深仪进行4平方公里的水下地形测量。

两次实验均采用南方公司的自由行软件进行水深取样和综合改正等处理原始数据，然后通过南方cass软件将处理后的水深数据自动生成水下地形图。

在进行近海水下地形测量时，本文中通过测区周围的五个控制点进行了七参数解算，并通过此参数进行了高程系统的转换，用另外两个控制点对转换结果进行检核，高差都小于2cm。

在进行长江沿岸水下地形测量时，采用高程拟合方法进行高程拟合，用另外两个控制点对转换结果进行检核，高差都小于3cm。

因此，无论是采用七参数还是高程拟合方法都可以满足水下地形测量的精度。

在近海和长江沿岸进行水下地形测量时都选择在水域较平静时进行测量，实验采用GPS流动站连接测深仪进行水下地形测量，测线间距为20m，测点间距为5m，为检验船体姿态对最后测量结果的影响，在测量区域中均布设检核线，各自选取35个观测两次的重叠点进行检核，其中每对重叠点之间的图上距离都小于1mm，对其进行高差比较见图3、图4。

由图3、图4可知，在近海水下测量时最大的差值为-0.14m，最小为0.01m，中误差为0.053m，在进行江边水下测量时，最大的差值为-0.15m，最小为0m，中误差为0.056m，因在测量中造成测深误差因素较多，上述中误差为综合因素影响下的测量精度，由于在大地高转换为正常高时，将产生不超过3cm的高程系统误差，由此可知在波浪较平静时采用本文方法进行水下地形测量，精度将达到亚分米级，完全符合水下地形测量精度。

同时用传统的测量方法在上海江边测量区域均匀的测量了几个点，与无验潮模式下的水下测量结果进行比较差值均在0.2m以内。

故采用无验潮模式的水下地形测量，可代替传统水下地形测量，其精度符合绘制大比例尺地形图的要求。

4 结论
综上所述，可得以下几点结论：
（1）在无验潮模式下，采用GPS-RTK与测深仪集成技术进行水下地形测量可代替传统的水下地形测量方法。

（2）GPS无验潮水下测量方法快捷、简单，极大地提高了工作效率，同时也消除了动态吃水影响，其测量精度符合水下地形测量精度要求。

（3）无验潮模式下的GPS水下地形测量的测深精度受船体姿态影响，故测量时应在联杆倾角小于6度的水域中测量。

[参考文献]：
[1] 赵建虎，周丰年，张红梅. 船载GPS水位测量方法研究[J].测绘通报，2001：1-3
[2] 周丰年，田淳. 利用GPS在无验潮模式下进行江河水下地形测量[J].测绘通报，2000，5：28-30
[3] 赵建虎，刘经南，周丰年. GPS测定船体姿态方法研究[J].武汉测绘科技大学学报，2000，25（4）：353-357
[4] 沈云中，白征东. GPS免验潮水深测量的数据处理模型[J].工程勘察，2002，2：55-58
[5] 欧阳永忠，陆秀平等. GPS测高技术在无验潮水深测量中的应用[J].海洋测绘，2005，1：6-9
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。