HiCORS网络RTK结合单波速测深仪的水下地形测量系统应用与实践

第４１卷第７期２０１８年７月
测绘与空间地理信息
ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ.４１ꎬＮｏ.７Ｊｕｌ.ꎬ２０１８
收稿日期:２０１８－０２－２６
作者简介:陈寿辙(１９８５－)ꎬ男ꎬ海南乐东人ꎬ工程师ꎬ学士ꎬ主要从事工程测量㊁变形观测㊁不动产测绘等方面的工作ꎮ
ＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ结合单波速测深仪的
水下地形测量系统应用与实践
陈寿辙
(海南水文地质工程地质勘察院ꎬ海南海口５７１１００)
摘要:结合海南清澜港补给及交通码头工程水下地形测量项目的应用实践ꎬ对ＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ结合单波速
测深仪的测量原理㊁硬件安装㊁软件调试㊁数据采集与处理及测量精度等方面进行了介绍和应用探索ꎮ实践证明ꎬ采用该系统测量的水下地形图精度完全满足«水运工程测量规范»的要求ꎬ并且大大提高了工作效率㊁节省了人力物力ꎮ此外ꎬ这种方式无须进行人工验潮ꎬ由此实现了无验潮模式下的水下地形测量ꎮ关键词:ＨｉＣＯＲＳꎻ单波速测深仪ꎻ换能器ꎻ精度
中图分类号:Ｐ２２８㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－５８６７(２０１８)０７－０１１７－０３
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＰｒａｃｔｉｃｅｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＴｏｐｏｇｒａｐｈｉｃＳｕｒｖｅｙＳｙｓｔｅｍ
ＢａｓｅｄｏｎＨｉＣＯＲＳＮｅｔｗｏｒｋＲＴＫＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈ
ＳｉｎｇｌｅＷａｖｅＤｅｐｔｈＳｏｕｎｄｅｒ
ＣＨＥＮＳｈｏｕｚｈｅ
(ＨａｉｎａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙＳｕｒｖｅｙꎬＨａｉｋｏｕ５７１１００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＷｉｔｈｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃｓｕｒｖｅｙｐｒｏｊｅｃｔｏｆＨａｉｎａｎＱｉｎｇｌａｎｇａｎｇｓｕｐｐｌｙａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔｄｏｃｋｐｒｏｊｅｃｔｕｎｄｅｒｗａｔｅｒꎬｏｎｔｈｅＨｉＣＯＲＳｎｅｔｗｏｒｋＲＴＫｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｉｎｃｉｐｌｅꎬｈａｒｄｗａｒｅｓｉｎｇｌｅｓｐｅｅｄｓｏｕｎｄｅｒｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎꎬｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｂｕｇｇｉｎｇꎬｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｗａｔｅｒｔｈｅａｃｃｕ￣ｒａｃｙｏｆｍａｐｓｔｏｆｕｌｌｙｍｅｅｔｔｈｅ"ｓｔａｎｄａｒｄ"ｗａｔｅｒｗａｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓꎬｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬｓａｖｅ
ｍａｎｐｏｗｅｒꎬｉｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｔｈｉｓｍｏｄｅｌｄｏｅｓｎｏｔｎｅｅｄｔｈｅｔｉｄｅꎬｗｉｔｈｏｕｔｔｉｄａｌｍｏｄｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＨｉＣＯＲＳꎻｓｉｎｇｌｅｗａｖｅｄｅｐｔｈｓｏｕｎｄｅｒꎻｔｒａｎｓｄｕｃｅｒꎻａｃｃｕｒａｃｙ
０㊀引㊀言
水下地形测量是用以绘制水下地形图的江河㊁湖泊㊁水库㊁港湾和近海水底点的平面位置和高程测量工作的统称ꎮ早期的水下地形测量采用单基站型ＲＴＫ配合测深仪的方法ꎬ此种作业方式需要在岸边架设基准站并联测已知控制点ꎬ流动站作业距离一般小于１０ｋｍꎬ工作效率不高ꎬ测量精度和可靠性难以保证ꎬ已不能满足水下地形测量工作日益追求效率的要求ꎮ随着海南省连续运行卫星定位综合服务系统(ＨｉＣＯＲＳ)的正式启用ꎬ我院及时引进该技术并应用于测量工程实践之中ꎬ作业人员只需一台ＧＮＳＳ流动站设备ꎬ在海南岛的任何地点都可以通过网络得到高精度的定位服务ꎬ结合单波束测深仪和水上测量辅助设备ꎬ就可以全天候㊁高效率㊁高精度地完成各种
水下地形测量任务ꎮ本文结合海南清澜港补给及交通码头工程水下地形测量项目的应用实践ꎬ对ＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ结合单波速测深仪的测量原理㊁系统安装㊁软件设置㊁数据采集与处理及测量精度等方面进行了介绍和应用探索ꎮ实践证明ꎬ采用该系统测量的水下地形图精度可完全满足«水运工程测量规范»的要求ꎬ并且大大提高了工作效率ꎬ节省了人力物力ꎮ此外ꎬ这种方式无须进行人工验潮ꎬ由此实现了无验潮模式下的水下地形测量ꎮ
１㊀ＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ和单波束测深仪简介
１.１㊀ＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ
ＨｉＣＯＲＳ全称海南连续运行卫星定位综合服务系统ꎬ
是利用全球导航卫星系统㊁计算机㊁数据通信和互联网络等技术ꎬ在海南全岛按照一定距离所建立的ꎬ由１３个长年
连续运行的固定ＧＮＳＳ参考站和１个数据处理中心所组成的综合服务系统ꎬ工作时ＨｉＣＯＲＳ参考站负责接收
ＧＮＳＳ卫星定位数据ꎬ并将接收到的信号传输到数据中心ꎬ数据中心经过处理和计算实时提供经过检验的误差不超过ʃ６ｍｍ的静态数据以及ʃ５ｃｍ的差分数据ꎮ该系统的建立为海南省提供了一个统一的㊁连续的㊁动态的㊁高精度的坐标基准框架ꎬ构建的ＧＮＳＳ综合信息服务网ꎬ可以向全省用户提供各种不同精度的位置信息服务ꎬ为 数字海南 建设㊁信息化管理提供了坚实的基础与保障ꎮ１.２㊀单波束测深仪
单波束测深仪一次只能测量一个水深值ꎬ结合网络ＲＴＫ测量的水面高程ꎬ就可换算出水底高程ꎬ其测深过程是通过换能器垂直向水底发射声波ꎬ声波到达水底时被反射回来再被换能器接收ꎬ假设声波在水中的传播速度为Ｖꎬ声波信号往返行程所经历的时间为ｔꎬ则水深计算公式为:
Ｄｔ＝Ｖｔ/２(１)２㊀ＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ结合单波速测深仪水下地形测量系统作业原理
㊀㊀水下地形测量包括定位测量和水深测量两部分工作ꎬＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ负责定位和水面高程测量ꎬ单波速测深仪负责水深测量ꎮ实际作业时ꎬ将ＲＴＫ接收机天线和测深仪的换能器用一根固定长度的杆件连接ꎬ并固定在测量船舷上ꎬ杆件必须始终处于竖直状态ꎬ以保证天线的平面位置和测深仪位置是一致的(如图１所示)ꎮ若ＲＴＫ接收机天线的高程为ｈ０ꎬＲＴＫ天线至换能器的距离为ｈ１ꎬ测深仪测得换能器以下部分的水深为Ｄｔꎬ则水下地形点的高程Ｈ计算公式为:
Ｈ＝ｈ０－ｈ１－Ｄｔ(２)
图１㊀水下高程计算示意图
Ｆｉｇ.１㊀Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｅｌｅｖａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍ
从公式(２)可以看出ꎬ水下地形点的高程Ｈ只和ｈ０及Ｄｔ相关ꎬ与潮位无关ꎬ从而达到无验潮效果ꎬ影响测量的潮汐㊁波浪㊁水位落差等因素得到较好的消除ꎬ大大提高了测量精度ꎮ
３㊀应用实例
３.１㊀工程概况
海南清澜港补给及交通码头工程位于海南省文昌市清澜港内ꎬ该工程拟在清澜港区的南侧海域通过填海造地形成专用码头区ꎬ为了查明工程范围内水深地形地貌情况㊁管线分布及航道礁石分布情况ꎬ为勘察设计提供相应技术资料ꎬ需要测量由码头所在位置沿航道中心线至出海口长约２０００ｍ㊁宽为５００ｍ的１ʒ１０００水下地形图ꎮ本工程项目定位采用南方灵锐Ｓ８６型动态ＧＰＳꎬ测深采用南方灵舟ＳＤＥ－２８型单波束测深仪ꎬ软件采用南方测绘水上测量导航２００４ꎬ并租用一条当地渔船进行作业ꎮ３.２㊀作业准备
３.２.１㊀测深仪的调试
根据水下地形测量规范ꎬ测深仪在测量之前要进行水深的比对工作ꎬ先把吃水和声速设置好ꎬ用标准的比对板(在不同深度)在静水中测量ꎬ通过调节测深仪的深速达到和标准比对的一致ꎮ
３.２.２㊀系统安装
将ＲＴＫ接收机与测深仪固定在测船上ꎬ测深仪绑在距离船尾１/３处ꎬ吃水深度以超过０.５ｍ为宜ꎬ同时保证接收机天线与换能器处于竖直状态ꎬ精确量取ＲＴＫ接收机天线至换能器的高度ｈ１ꎬ并与计算机通过数据线相连ꎬ接通１２Ｖ直流稳压电源ꎬ调试系统的控制装置使ＲＴＫ接收机与测深仪同步工作ꎮ
３.２.３㊀软件设置
打开水上测量导航软件新建工程ꎬ设置投影㊁坐标系㊁定位参数以及记录参数ꎬ软件会根据设置条件自动采集并保存数据ꎬ检查测深仪与计算机端口通讯连接情况ꎬ进入工作状态ꎮ
３.３㊀水下地形测量
水下地形测量按断面法施测ꎬ开始测量前ꎬ校对好时间ꎬ引导测船进入起始断面位置ꎬ根据事先布置的计划线(主测线按垂直等深线方向布设ꎬ测点间距为５ｍꎬ测线间隔为２０ｍꎬ等深距为１ｍ)进行测量ꎬ同时注意导航软件的偏航显示情况ꎬ随时修正测船航向ꎬ使测船始终沿着计划线方向航行ꎬ当遇到岸边浅滩测船无法到达的区域时ꎬ采用ＲＴＫ结合测深杆的方法获得水深数据ꎮ
３.４㊀数据处理及水下地形图编绘
３.４.１㊀数据处理
将记录好的原始数据ꎬ通过数据取样ꎬ去掉所有粗差的水深点ꎬ对时间和位置出现异常的测点视情况进行修正或剔除ꎬ所有测点经检查㊁计算㊁校对正确无误后再通过后处理软件生成坐标数据文件ꎬ数据格式为(点号ꎬＸꎬＹꎬＺ)ꎮ
３.４.２㊀水下地形图编绘
将处理后的测点数据导入南方ＣＡＳＳ９.１制图软件ꎬ自动生成等高线㊁断面图ꎬ并注记地形图信息ꎬ最后由参加外业的测量人员根据现场实际情况逐项进行分析㊁检查编绘成数字水下地形图(如图２所示)ꎮ
３.５㊀精度检查
３.５.１㊀主测线和检测线检查
在进行水深测量的时候布置若干条检测线同时测量ꎬ其方向与主测线垂直并均匀分布在水下平坦处ꎬ检查主测线与检测线的长度比是否大于５％㊁测线间距是否符
８１１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀测绘与空间地理信息㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１８年
合«水运工程测量规范»的要求ꎮ由于检测线采用的测量方法和精度与主测线相同ꎬ将每一条检测线与主测线交叉点的高程值进行比对ꎬ对无法比较的离散测点ꎬ根据绘制的水下等高线进行图解ꎬ本次共取样１００个统计测深点的高程较差ꎬ统计结果见表
１ꎮ
图２㊀数字水下地形图Ｆｉｇ.２㊀Ｄｉｇｉｔａｌｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｍａｐ
表１㊀检测线精度检查统计表
Ｔａｂ.１㊀Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｌｉｎｅａｃｃｕｒａｃｙｃｈｅｃｋｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ
较差(ｃｍ)
点数５
３９１０５２２０９３００>４００
«水运工程测量规范»要求主测线和检测线高程比对互差不大于４０ｃｍꎬ从表１统计结果来看ꎬ不符合点为０ꎬ取样点位１００％合格ꎮ
３.５.２㊀人工验潮检查
为了检验本系统无验潮测量模式的可靠性和精度情况ꎬ在距离交通码头约２ｋｍ位置设置自动潮位仪ꎬ以人工验潮计算的测点高程为基准ꎬ取样１００个点将本系统无验潮采集的数据与人工验潮采集数据进行比对ꎬ统计结果见表２ꎮ
表２㊀人工验潮检查精度统计表Ｔａｂ.２㊀Ｍａｎｕａｌｍｏｉｓｔｕｒｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ
㊀㊀㊀ａｃｃｕｒａｃｙｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ
较差(ｃｍ)
点数５
２８１５６４２０８>２００
从表２统计结果来看ꎬ本系统无验潮采集的数据与人工验潮采集数据较差值均小于０.２０ｍꎬ不符合点为０ꎬ符合率１００％ꎮ两种测量方法有较好的吻合度ꎬ证明ＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ结合单波速测深仪的无验潮测量方式是可靠的ꎮ
４㊀结束语
ＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ结合单波速测深仪在海南清澜港
水下地形测量项目中的应用取得圆满成功ꎬ高效㊁精确地获得了港区水下地形数据ꎬ为勘察设计工作打下了坚实的基础ꎮ该系统无须单基站型ＲＴＫ架设基站ꎬ大大提高了工作效率ꎬ节约了人力物力ꎬ并且在精度上完全满足ＪＴＪ２０３－２００１«水运工程测量规范»的相关要求ꎬ由此得到以下结论:
１)多检核手段保障工程质量ꎮ由于水下测量的隐蔽性且水底环境复杂ꎬ作业过程中必须采取多种检核措施㊁
增加检核条件对测量精度进行把控ꎬ以提高成果的可靠性ꎮ
２)ＨｉＣＯＲＳ结合ＲＴＫ精度效率高ꎮＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ
结合单波速测深仪实现了无验潮测量方式ꎬ免去了人工
潮位改正的过程ꎬ有效地消除了潮汐㊁波浪㊁水位落差等因素的影响ꎬ大大提高了测量精度和作业效率ꎮ
３)无人遥控船技术应用前景广阔ꎮ使用中我们发
现ꎬ载人船只体积一般较大ꎬ吃水较深ꎬ难以靠近岸边和浅滩区域ꎬ使得外业测量存在空白区域ꎮ随着无人遥控船技术的发展成熟ꎬ一种吃水浅㊁小巧灵活的无人测量船可以灵活进入浅滩㊁近岸及其他危险区域作业ꎬ并且测量过程完全自动化ꎬ无须人工干预ꎬ结合该系统的应用将更能提高水下地形测量的效率ꎮ
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[Ｊ].北京测绘ꎬ２０１７(４):６９－７２.[编辑:刘莉鑫]
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１１第７期
陈寿辙:ＨｉＣＯＲＳ网络ＲＴＫ结合单波速测深仪的水下地形测量系统应用与实践。