GPS在水下测量地形的应用探讨

GPS在水下测量地形的应用探讨

凌维

平远县国土资源局广东梅州514600

摘要：本文主要针对GPS在水下测量地形的应用展开了探讨，详细介绍了GPS水下地形的定位方法和回声测深仪，并对现场测量及技术拓展作了系统的分析，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。

关键词：GPS；水下地形；测量；应用

GPS，作为如今最为先进的地形测量技术之一，在水下地形的测量中也有着广泛的应用。因此，为了更为科学准确的测量水下地形，就需要熟练掌握GPS的应用技巧，并将其有效的应用到水下地形的测量中。基于此，本文就GPS在水下测量地形的应用进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。

1GPS水下地形定位方法

1.1GPSRTK定位方法

根据测站的运动状态，GPS定位方法分为静态和动态两种，动态GPS大多采用GPSRTK定位。具体工作时，在一个已知坐标点上设置基准站，基准站对在视场的GPS卫星（一般需要4颗以上）进行连续跟踪测量，并按规定的时间间隔，实时地把载波相位观测值及测量坐标信息等数据通过无线数据链传送给流动站，流动站利用收到的信息和采集的GPS观测值进行求差解算，组成差分观测值进行实时处理，消除或减小星历误差、星钟误差、大气层延迟误差等公共误差，从而获得高精度的位置坐标。

（1）GPSRTK基准站的组成。基准站由GPS接收机、电台及发射天线、直流电源等组成（见图1）。基准站GPS接收机一般安置在已知点上，将GPS接收机与GPS控制面板、GPS电源及电台连接，并对GPS测量模式进行选择，将已知点坐标输入仪器，完成GPS基准站的配置后，由直流电源给电台提供电源。

图1GPSRTK基准站的组成

（2）GPSRTK流动站的组成。流动站包括GPS接收机和天线两部分，将GPS接收机与GPS控制面板、GPS电源、天线和笔记本电脑连接，选择测量模式，启动仪器。当接收到卫星信号、电台信号后，测量数据成固定解时，才可以开始工作。

1.2CORS系统定位方法

CORS系统是由多个GPS参考站组成的，主要通过Internet和无线通信网络向系统覆盖的服务区内的用户提供参考站坐标和参考站GPS观测数据，用户通过Internet下载CORS若干参考站数据，进行精密定位，也可以接收数据播发站对载波相位观测数据进行实时精密定位。建立CORS系统主要依靠GPS技术、数据通信技术和计算机技术。CORS技术在用途上可以分成单基站CORS和多基站CORS。

（1）单基站CORS系统由GPS参考站（基站）、数据服务器、网络通信模块（Internet）和流动站组成。GPS参考站（基站）与数据服务器之间用电缆连接，数据服务器登录Internet后，基准站可以每天24h连续不断地运行。以南方CORS为例，在基站25km范围内，只要能够接收到卫星信号、手机信号的地方，移动站就可以进行高精度测量。单基站的组成如图2所示。

图2单基站的组成

（2）多基站CORS是指分布在一定区域内的多台连续观测站，每个观测站都是1个单基站，同时每1个单基站还有1个中央控制计算机。由控制软件自动计算流动站与基站点的距离，将距离近的基准站的基站差分数据发送给流动站。建设了5个连续运行参考站多基站CORS系统，平均站间距约42km，覆盖面积约1万多km2。

2回声测深仪的介绍

2.1回声测深原理

回声测深仪由发射机、接收机、发射换能器、接收换能器、显示设备和电源组成。水深测量经历了测绳重锤测量（点测量）、单频单波束测深（点测量）、双频单波束测深（点测量）、多波束测深（面测量）、机载激光测深（面测量）几个阶段。回声测深原理是利用安装在测量船下的发射机换能器，垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C传播到水底，经反射或散射返回，被接收机换能器接收。设经历时间为t，换能器的吃水深度D，则换能器表面至水底的距离，即水深H为：H=Ct/2+D

2.2回声测深作业过程

（1）回声测深仪的安装连接。测深仪的声系统一般安装在船舷侧，船舶航行时产生的气泡和漩涡，会严重影响测深能力，因此声系统必须安装在没有进出水管、船壳附近水流平缓、不发生扰动影响的部位，一般选择在距船艏1/3～2/5处。换能器放入水中的深度在连接杆长度允许的前提下，尽可能深一些，大致在0.5～1.2m范围内。换能器导流罩“钝”的一头朝船艏，“尖”的一头朝船尾。现场测量时，测深仪的连接设备有换能器、12V直流电源、电脑等。

（2）回声测深仪设置。测深仪连接好后，量取吃水线（换能器面到水面的距离）和淡水的温度，根据水温参考表，获得声速值进行设置。启动测深仪，选择测深范围的倍乘开关至“*1”档时，量程开关各档面板所标的数据即为实际的测深范围。通过吃水、声速按钮对吃水、声速进行设置，调整并校验设置零点位置。测深仪设置好后，所测水深一般应使用测绳重锤测量进行复核，满足要求后才能进行测量。

3现场测量

3.1坐标系的转换

在GPS测量中，GPS数据通常采用WGS84坐标系统，利用RTK技术进行GPS测量时，首先需要转换成地方独立坐标系统，这是项非常重要的工作，转换参数精度的高低直接影响测量成果的精度。坐标转换时要注意，求解坐标转换参数所使用的已知控制点（通常称为基准点）的精度、密度及分布状况对坐标转换参数的求解质量有着直接影响。因此，所选定的基准点要求精度要高，并且应均匀分布。基准点的数量视测区的大小一般取3～6个为宜。

3.2测量前的准备过程

3.2.1工程项目的建立及计划线的绘制

进行水下地形测量时，首先需要使用导航软件进行导航定向。

（1）建立工程：输入文件名称、保存路径、设置坐标系参数。

（2）布设计划线：根据测量范围和水流流向，进行计划线的布设。计划线可以在CAD中画好，打碎后导入软件中，也可以在软件中进行设置。该软件的布设方式有全屏布线、区域布线、航道布线。一般采用航道布线，输入航行控制点、航道间距、航道长度，就可以绘制出计划线。

3.2.2通信参数的配置

（1）GPS通信参数配置时需要注意设备型号、设备端口常数要和仪器的设置一致，其配置界面见图3。

图3GPS通信参数配置界面

（2）测深仪参数配置不仅要求设备型号、设备端口常数和仪器的设置一样，还需要注意在进行水下地形测量时，一定要选择“使用”，否则，没有水深记录数据。GPS数据的采集，GPS值最好是固定解，有困难时，可以使用差分解（见图4）。

3.3水下地形测量过程

进行水下地形测量时，首先连接主要设备，然后进行测量。

（1）水深检测，利用测深锤和测量水深进行对比。

（2）平面位置检测，利用全站仪测量船只固定时GPS接收器的坐标，并进行对比。

（3）进行测量时，首先进入测量界面，按界面显示的船只位置，布设计划线路，然后选定计划线路进行测量，最好每条测线保存1个文件，并读取测量时的水位标尺和观测时间。测量时，界面会显示当时的很多信息，需要随时注意查看。

3.4后期处理及绘图

根据测量断面，打开文件，通过采集水深取样界面，可以逐条检查测量断面，将突变的数值进行处理。通过观测测量时的水深，对水下高程进行改正并导出测量数据。利用绘图软件进行水下地形图的绘制，等深线用虚线表示。

图4测深仪通信参数的配置

4技术拓展

GPSRTK、测深仪和导航软件进行水下地形测量技术已经非常成熟。随着CORS技术的发展，测量范围越来越广，水下地形导航测量原理同样适用于陆地测量，我们对此进行了初探和实验。在比较开阔的路线测量中，可以使用车载GPS测量，由于路面比较平坦，车速均匀，精度高于水下测量成果。基准站采用CORS单基站，在车顶布置GPS接收机（图5），可以进行三峡坝区及专用公路整个施工区的测量工作。作业前，用水准仪准确测定路面至GPS接收机的距离，用来设置天线高，根据测量水下地形测量方法和注意事项，可得到理想的测量成果。此技术同样适用于大范围、视野开阔、比较平坦地区的地形测量，只要把GPS接收机的载体进行更换，使用更方便于工作现场的交通工具就可以极大地提高工作效率。

图5车载GPS测量图

5结语

综上所述，水下地形测量对各方面来说都具有着相对重要的作用，因此，做好水下地形的测量是十分必要。我们需要将GPS技术有效的应用到水下地形的测量中，以保障水下地形测量工作的科学性及准确性。

参考文献：

[1]屈晓飞.GPS和测深仪组合系统在水下地形测量中的应用探讨[J].城市建筑.2012（17）.

[2]董杰、顾斌.GPS在水下地形测量中的应用探讨[J].科技风.2010（13）.