一种水下地形遥控测量方法的应用

戴晓姝  

中核四0四有限公司第二分公司，甘肃  兰州  732850

摘要：本文描述了借鉴民用河流航道测量的技术，利用搭载着水深测量仪、差分GPS的小型遥控船，按照预先设置好的航线，对水池进行水下地形遥控测量。

关键词：水下地形；遥控测量；差分GPS

Remote measurement of underwater topography of pool

Dai Xiaoshu ¹

CNNC, Lanzhou 732850, China;

Abstract:The literature introduces the technology of civil channel survey. With using of water-depth measurement equipment and differential GPS, small remote vessel measures the underwater topography of Pool.

Key words: underwater topography; remote measurement; differential GPS

1 水下地形遥控测量的目的

水下地形测绘源于陆地测量，其任务可划分为科学性任务和生产性任务。科学性任务主要是满足科研需求而进行的，如地球形状，海底地址的构造运动、大地水准面的确定以及水域环境和海、河道演变分析等方面的研究。生产性任务是为满足实际工程需要而进行的水下测量工作，主要包括航海、航运、渔业、海洋工程、海上划界等生产项目。

水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。传统的水下地形图测量方法是：定位测量采用经纬仪交会法、经纬仪配合测距仪极坐标法、全站仪方式等获得平面坐标；测深利用测深杆法、测量锤法和回声测深仪等获得该平面位置处的水深，从而推算出该位置的水下高程。随着全球定位系统GPS技术的日益成熟，尤其RTK实时动态定位系统以其高精度、高效率、易操作的特点广泛应用于各种测量和放样，使用GPS-RTK技术进行水下地形测量就比较方便、快捷了。

2 水下地形测量方案设计

2.1 总体技术方案

水下地形测量，就是利用测量仪器（水深测量仪、差分GPS、小型遥控船和数据处理软件）来确定水底点三维坐标的过程。

总体技术方案是：搭载着水深测量仪、差分GPS的小型遥控船，按照预先设置好的航线，对池水深度进行巡回测量。通过巡测，水深仪获得每条航线测量点上的水深数据，差分GPS获得每条航线测量点上的GPS坐标数据。

2.2 测量原理

水下地形测量中，测深仪的工作原理是利用超声波穿透介质并在不同介质表面会产生反射的现象，利用安装在测量船下的超声波换能器（探头）发射超声波，测出发射波和反射波之间的时间差来进行测量的。测深仪其原理及功能如图2-1所示。即声波发射、接收电路，发射、接收转换开关，发射、接收换能器，数字换能器，数字显示器，模拟记录器等^[1]。

图2-1  测深仪原理及功能

声波在水中的传播速度为C，换能器（探头）发出超声波，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收，测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则换能器表面至水底的距离H为：

H=Ct                        (2.1)

差分GPS和测深仪组合系统在水下地形测量中的应有主要由基准站和移动台两大部分组成，基本原理见图2-2。基准站由GPS接收机，数据链构成。移动台由GPS接收机，数据链，测深仪，计算机，测量软件以及计算机外部设备构成。基准站GPS接收机的作用是为了获得两站间的公共误差，流动站GPS接收机则利用基准站解算所得的公共误差对自身的观测值进行改正以确定较精确的自身位置。

图2-2  组合系统的组成部分

差分GPS结合水深测量仪测量水下定位点坐标与高程的方法，是将GPS流动站天线直接安装在测深仪换能器的正上方，这样可以保证在测量的过程中，GPS测量的点位与测深仪测量的水下点位在同一铅垂线上。

GPS接收机天线与水深测量仪的换能器之间，由一根固定长度的杆件连接在一起，使换能器底面到GPS天线之间相当于一根已知长度的占标杆，只要将杆立直，则GPS接收机所测数据的平面坐标，即是换能器底面对应点的平面坐标，也就是所测水深点的平面坐标。

利用测深仪统的控制装置可使接收天线与换能器同步工作，即在GPS接收机测量三维坐标的同时，测深仪也测得其底面以下部分的水深，具体工作原理如图2-3所示。

图2-3  水下高程计算示意图

水下定位点的高程计算公式：

                        (2.2)

式中：——水下定位点高程；——GPS接收天线的高程；——天线至换能器底部高度；——换能器以下部分的水深。

在测量过程中，所测数据直接显示在电脑显示器上，根据反馈出的水下地形变化情况、设计及规范要求的地形点密度情况、测船行进的速度情况等。

3 现场实施

3.1 测量要求

1）根据测量要求，选择适合的测图比例尺，比例尺为：1:500；

2）每次断面测量结束前，都应该施测一条测深检查线；测深检查线宜垂直于主测深线，其长度不宜小于主测深线总长度的5%。测深检查线垂直于断面线，长度不小于断面线总长度的5%。（测深检查线是为了检查测量中是否有问题存在，测区深度是否准确，是否能满足要求。）

3）测量的航线布设应该覆盖全部取样点。

3.2 测量步骤

3.2.1 外业数据采集

在池岸边空旷区域的控制点上架设差分GPS的基准站，基准站设置完毕后，再设置流动站。流动站设置好以后，需要对控制点进行校对，检校结果满足规范要求以后，开始小型遥控测量船上的操作。

小型遥控船根据事先设定好的航线进行巡测。当进行水上测量时，差分GPS用来记录平面坐标，同时水深测量仪测得的水下深度通过计算作为高程数据。采用固定测点间距的测量方式，保证坐标测量与水深测量同步进行。在安装固定好换能器与GPS流动器之后，打开电源，按原本设计的路线开始测量，到达某一固定位置就停止前进，测量人员同时按下GPS手簿记录水平坐标和测深仪记录测得深度，注意两者的点号相对应。

3.2.2  换能器动态吃水改正

测深仪换能器安装在水下保持一定的距离，由水面至换能器底面的垂直距离称为换能器吃水改正数，它是一项系统误差，可由（3.1）式计算确定^[2]：

                              (3.1)

上式中，为船型系数，为船速(以m/s为单位)，为测区的平均水深(m)，为静态吃水(m)。对于值，由于船型不同而取各异，它于船的长、宽比和船体吃水线以下的形状有关，一般都是实测求得。在本次测量中遥测船的船型系数为：

                               (3.2)

在公式（3.2）中，A为船体面积，C、L分别为船体长度和宽度。

据此，可得，K=2.59÷（3.7×0.8） =0.875；

 =0.875×(5000/3600)²×(0.4/2.05)^1/2=0.74m

由公式（3.1）可知，动态吃水改正数是与船速平方成正比、而与水深的方根成反比。既是说航速愈高，测区愈浅，则改正数值越大。

图3-1 换能器吃水改正

3.2.3  测深延迟效应误差消除

测深延迟效应：测深时刻与定位时刻不同步所引起的测量误差。定位与测深是否同步有两个含义:一是指发送给GPS接收机的定位标记时刻与发送给测深仪的测深标记时刻(这两个时刻一般以世界标准时整秒时刻给出)是否同步;二是指测深仪本身发射声波时刻滞后于世界标准时的整秒时刻所引起的测深点移位效应。在本文中探讨的是对第二种误差进行校正消除。

测深延迟效应属于系统误差,仅引起测深点平面位置误差,其主要的解决方法：通过事先精确测定GPS天线中心与测深仪换能器中心的相对坐标,测定测深仪发射延迟时间,利用误差改正公式可有效改正。

林珲等人曾推算过校正公式^[3]，在图3-2中, L1测线测量船向南航行,在A1处测量系统发出测量信号, GPS在整秒时刻及时定位,而测深仪的发射声波信号却滞后τs,实际水深测量点在A2处,设航速为V,则测深延迟效应所致的测量点水平方向(向南滞后)位移量为Vτ。    

同样,在测量船向北航行的相邻测线L2中, 测量信号在与L1的A1点相对应的B 1点发出,此时的滞后效应造成水深等深线呈锯齿状走势,图中的A图为实际等深线、B图为测深延迟效应引起的等深线畸形。在测船坐标系中,测深延迟效应误差如公式3.3所示：

Δx = 0,Δy = Vτ                                     （3.3）

据此，可得航速为5km/h,延迟为0.05s,则: Vτ=5000÷3600×0.1 =0.138 (m)。

图3-2  　测深延迟效应原理及测深延迟效应前(A图) 、后(B图)等深线对比

4 结论

1）本项目借鉴了民用河道测量技术，利用小型遥控船可根据既定的航线进行巡测，实现了测量点水深数据和GPS坐标点数据的同步测量。通过加密测量点的方式，减少了测量误差，确保了测量精度。利用测深仪进行水深探测，相较于测量锤、探杆等传统水深测量方式，提高了工作效率。

2）通过小型遥控船的远距离遥控操作，提高了作业安全性，避免了人员溺水事故的发生。可为类似的水池水深测量、池底地形勘测工作提供借鉴。

参考文献

[1] 姜仁辉，佰春明.GPS结合测深仪在水下地形测量中的应用[J].甘肃水利水电技术，2011,47(12):44-47.

[2] 赵宝勋. 动态吃水改正[ J ]. 海洋测绘, 1988, ( 2 ) :22～24.

[3] 林珲等。 水深测量的误差因子分析{J}，海洋测绘，2005.03.