无验潮模式水下地形测量技术应用研究

b 的计算公式：
图 2 换能器杆安装偏差影响测深精度
b = （ h1 + h2） ·cosB
（ 4）
式中，b 为测量真值； B 为倾斜角； h1 为 GPS 天线中心到
换能器底部的长度； h2 为测深仪显示测量水深。 由式（ 1） 可知： 换能器杆倾斜产生的倾角越大、水
深越深、换 能 器 杆 越 长，则 测 量 的 水 深 值 比 实 际 值 越
大。可见，测深时应时刻注意换能器杆的安装情况，保
证其垂直方向安装固定，必要时应使用安装架固定。
4 测前准备
4． 1 高程异常值的测定
2014 年 6 月中游局在汉江河口河段进行了 ＲTK
无验潮试验，利用包含测区范围的 3 个控制点的大地
高与几何水准测量得到的正常高推算，推算方法为采
用两者差值（ 高程异常 ζ） 的平均值作为转换参数，见
第 47 卷 增刊（ 1） 2 016 年6 月
文章编号： 1001 － 4179（ 2016） S1 － 0056 － 03
人民长江 Yangtze Ｒiver
Vol． 47，Supplement（ Ⅰ） June， 2016
无验潮模式水下地形测量技术应用研究
魏 凌 飞，魏 为
（ 长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉 430033）
图 4 数据延时测定结果
5 数据后处理及分析
由于试验采用简易无验潮的模式进行，水深测量 结果完全相同，所以，本文对水下测点精度的评估采用 ＲTK 潮位数据代替水下测点数据的方式进行对比分 析。
在 ＲTK 无验潮水下地形测量实际测量中，实时采 集的水位原始数据是跳跃的，主要是由于测量过程中 波浪造成船姿变化引起 GPS 相位中心与水面差值在 不停地变化以及 GPS 卫星信号有时不稳定，两种因素 叠加，使 GPS 原始潮位呈现锯齿形状，将试验中 ＲTK 采集的原始潮位数据按时间顺序作图查看，见图 5。
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降水量占全年降水量的 57． 6% ，后汛期（ 9 ～ 10 月） 降 水量占全年降水量的 22． 6% ； 年降水量及汛期、主汛 期和后汛期降水量总体变化呈减少趋势，未来一定时 期内干旱形势依然严峻； 降水量高度集中在汛期，特别 是主汛期，不 利 于 水 库 防 洪 调 度，而 后 汛 期 降 水 量 偏 少，对水库蓄水不利。
（ 4） Mann － Kendall 检验结果表明： 九龙甸水源地 降水量总体呈下降趋势，UF 曲线超过信度 a = 0． 01 临界值线，表明下降趋势明显； UF 曲线与 UB 曲线在 2009 年第二次相交，即降水在 2009 年开始发生突变。
图 1 中，A 为流动站 GPS 天线实测高程，高程基面 为 WGS84 坐标系下的参考椭球面； T 为水下地形测量 过程中实时水面高程，基于成图基面； B 为测深仪输出 的水深值，已进行吃水改正； H 为流动站 GPS 天线至静 态水面高； D 为水下地形测量过程中测船动态吃水改 正值； CS 为水下地形床底高程，基于成图基面； N － K 为 WGS84 参考椭球面与成图基面之间的差值。
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图 3 测船动态吃水结果示意
4． 3 数据延迟的测定
当测船沿正反方向交替施测时，系统性延时将使 得正向测深值右移 △，反向测深值左移 △，使整个河 床地形形状产生锯齿状交叉错位。显然，偏移 △ 的大 小与测船速度 V 成正比。△t 的探测方法可以分为两 种，即对同一目标探测法和对同一测线探测法。其原理 是一样的，都是对同一目标或同一测线进行往返观测， 通过比较同一目标或同一测线的水深点位置来得到延 时量 △t。本次试验采用同一测线往返测方式进行，测 定结果见图 4。
收稿日期： 2016 － 04 － 20 作者简介： 魏凌飞，男，工程师，主要从事水文测量方面的工作。E － mail： 42866935@ qq． com
增 刊（ Ⅰ）
魏凌飞，等： 无验潮模式水下地形测量技术应用研究
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图 1 ＲTK 潮位改正工作原理示意
ＲTK 潮位改正公式可通过以下公式进行推算：
2013 年度长江委水文局长江中游水文水资源勘 测局（ 以下简称“中游局”） 批准研究课题《无验潮模式 水下地形测量应用研究》，针对长江中游、汉江中下游
辖区的特点，结合试验数据阐述无验潮水下地形测量 技术的应用情况，为以后无验潮水下地形测量的可行 性借鉴。
2 无验潮水下地形测量的工作原理
无验 潮 测 深 技 术 使 用 ＲTK 结 合 测 深 仪 工 作。 ＲTK 通过载波相位差分技术实时动态地获取三维坐 标 （ X，Y，H） ，且精度可达到厘米级。ＲTK 除了定位 精度高能有效保证更大比例尺测图的精度外，其另一 优点为测得第三维坐标（ 高程） 的精度同样可以达到 厘米级，精度完全能够满足水深测量的要求。ＲTK 潮 位改正工作原理是利用 GPS ＲTK 技术，实时测得流动 站 GPS 天线高程，通过流动站 GPS 实时天线高程代替 水面高程进行传递，以求得河底高程，从而实现无验潮 水下地形测量。ＲTK 潮位改正过程可用图 1 表示。
（ 1） 船体坐标系的改正。由于 GPS、姿态传感器、 回声仪 3 种仪器很难位于同一轴线上，所以必须建立 船体坐标系，并进行改正。
（ 2） 影响平面定位精度的其他因素及改正。无验 潮测量中平面定位和水深测量是同步关联实施的，二 者精度都极其重要。ＲTK 无验潮测量中影响平面定 位的因素包括： ① 不同坐标系间坐标转换参数； ② 定 位点到 GPS 差分基准站的距离； ③ 卫星工作状态（ 是 否出现失锁或者跳变） ； ④ 卫星几何强度。
其相应的控制方法为： ① 精确求取转换参数并比 测； ② 控制流动站到基准台之间的作业距离，一般不 大于 7 km； ③ 避开遮挡和选用较好的双频 GPS，尽可 能减少失锁或跳变现象的出现； ④ 选择 PDOP 值较小 的时间段作业。
3． 2 影响测深精度的因素及改正计算
由于换能器杆连接了 ＲTK 天线和换能器，换能器 杆如果安装不垂直，形成的偏角将导致测深仪测量的 水深值具有系统性误差，同时，由于 ＲTK 天线不垂直 而使 ＲTK 测量高程比实际值偏小，也产生系统性误 差。这与常规的有验潮测量只存在测深仪测量引起的 测深误差比较而言，其误差来源增多。换能器杆倾斜 时，测深仪显示水深值 h2 及 GPS 天线中心到换能器底 部的长度 h1 与测量真值 b 的关系，见图 2。
图 5 ＲTK 原始潮位数据
入的，但加入后，改正数据（ 应用 Pitch、Ｒow 改正） 并不 是直接加入到潮位数据中，而是直接将改正数据加在 原始水深（ Ｒaw Depth） 数据中； 若需要在系统中加入 运动传感器采集的升沉（ Heave） 改正数据等，也是直 接加入原始水深之中。即：
高程 = ＲTK 潮位 － （ 原始水深 + 换能器吃水 + 吃水改正 + 姿态改正 + 升沉改正 + ……）
摘要： 2013 年，长江委水文局长江中游水文水资源勘测局批准了《无验潮模式水下地形测量应用研究》的课
题。针对长江中游、汉江中下游辖区的特点，结合试验数据，阐述了无验潮水下地形测量技术的应用情况，包
括工作原理、精度控制及改正。介绍了测量前的准备工作和数据后处理分析，最后提出了使用 ＲTK 进行简易
无验数潮水下地形测量时的注意事项。可为以后无验潮水下地形测量的可行性借鉴。
表 1。
表 1 测区控制点正常高与大地高
m
点名 HX228LP HX227L1 HX226L1
85 高程 25． 588 26． 577 25． 614
大地高 11． 461 12． 403 11． 395
N－K － 14． 127 － 14． 174 － 14． 219
经计算（ N － K） 均值为 － 14． 173 m，标准偏差为 ± 0． 046 m。由标准偏差可以看出测区重力场分布均 匀，高程转换可信。
由于本次是简易无验潮水下地形测量试验无姿态 传感器和涌浪传感器（ Heave） ，故无法进行姿态改正、 升沉改正等。
为了保证潮位数据的合理性，去除 GPS 信号短时 间的不稳定等因素造成的 ＲTK 潮位数据突变、跳跃， Hypack 软件推荐用平均潮位数据来消除 Heave，以去 除不符合事实的高频潮位变化和个别潮位突变错误， 这一功能对于测量过程中出现的短时间的非固定解状 况也有一定的改善。
采用 Hypack 软件的无验潮水下地形测量中，GPS 定位高程数据将会被直接记录为潮位数据（ Tide Correction） ； 如果测深系统加入了运动传感器，运动传感 器对船姿（ Pitch、Ｒow、Yaw） 的改正是可以根据需要加
6 结论
简易无验潮水下地形测量技术在长江中游辖区应 用的试验结果满足相关规范的精度要求，在长江中游 辖区推广是可行的。但为了保证该测量技术施测结果 的高精度，进行简易无验潮水下地形测量时必须要进 行延迟测试和动态吃水测定。最后提出在使用 ＲTK 进行简易无验潮水下地形测量时的几点注意事项。
（ 2） 降水年集中度和集中期分析结果显示： 降水 年内分配集中度多年平均值为 0． 609，集中度较为平 均，但总体呈下降趋势； 从各时期集中期时间变化来 看，降水的集中期均呈现提前的趋势。
（ 3） 小波分析结果表明： 九龙甸水源地年降水量 28 a 长周期最为明显，且存在明显的 2 a 组短期波动； 年降水量变化在较大时间尺度上可分为 1976 年之前 的偏丰期、1976 ～ 1989 年的偏枯期、1990 ～ 2002 年的 偏丰期、2003 ～ 2010 年的偏枯期 4 个阶段。从小波分 析和总体变化趋势来看，2003 ～ 2016 年将为偏枯期， 对水源地生态系统和城市供水极为不利。
4． 2 船舶动态吃水的测定
将测深仪探头调整在所受影响最小的位置，即在 正常航速吃水线与静态吃水线相交的位置。每条测船 的动态吃水的测定，采用 GPS ＲTK 法。在安装测深仪 探头处装 1 台 GPS，测船静止不动时，采用 GPS ＲTK 测出一组高程数据，然后测船以高、中、低不同航速航 行时，分别测到一定数量的高程数据，测船运动和静止 时，探头处 GPS 观测的高程之差值的均数，即为船舶 动态吃水变化值。经测量后统计动态吃水的结果见图 3。