結(jié)合測(cè)深儀水下地形測(cè)量原理分析與應(yīng)用

1、 石油天然氣勘察技術(shù)中心站 第十六次技術(shù)交流會(huì)論文 GPS結(jié)合測(cè)深儀水下地形測(cè)量原理分析與應(yīng)用呂繼書(shū)，萬(wàn)仕平中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限公司西南分公司中國(guó) 成都GPS結(jié)合測(cè)深儀水下地形測(cè)量原理分析與應(yīng)用呂繼書(shū)，萬(wàn)仕平(中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610017)摘要：隨著GPS-RTK技術(shù)的出現(xiàn)，使得目前的陸上測(cè)量工作效率大大提高，GPS-RTK具有定位速度快、精度高、實(shí)時(shí)化的特點(diǎn)，這給GPS-RTK在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)，配合目前的數(shù)字測(cè)深儀與相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行水下地形測(cè)量。本文就GPS-RTK配合測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量的原理、工作方法、

2、注意事項(xiàng)進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞：GPS-RTK；水下地形測(cè)量；測(cè)深儀。1 引言隨著天然氣、石油長(zhǎng)輸管道工程的大量建設(shè)，眾多的大型、特大型河流穿越也隨之展開(kāi)。傳統(tǒng)的河流水下地形測(cè)量是在岸邊通視條件良好的圖根控制點(diǎn)上架設(shè)經(jīng)緯儀，用3臺(tái)經(jīng)緯儀同時(shí)觀測(cè)船體的方位，通過(guò)前方交會(huì)來(lái)計(jì)算船體的平面位置，再利用靜水水面高程與船體的水深來(lái)求得測(cè)量點(diǎn)的水下高程。這種測(cè)量方法顯然是把平面位置測(cè)量和水深測(cè)量是分開(kāi)進(jìn)行的，測(cè)量精度、效率都不能得到很好的保障。目前，GPS-RTK （Real Time Kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）技術(shù)是在GPS基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，能夠?qū)崟r(shí)提供流動(dòng)站在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并在一定范圍內(nèi)達(dá)

3、到厘米級(jí)精度的一種新的GPS定位測(cè)量方式，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖、各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。故在進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)，我們可以充分利用GPS-RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用GPS與回聲測(cè)深儀相結(jié)合的辦法，這樣就可以快速、準(zhǔn)確的測(cè)定水下地形的坐標(biāo)與高程。2. 基本原理GPS結(jié)合回聲測(cè)深儀是將GPS測(cè)量天線直接安裝在測(cè)深儀換能器的正上方，這樣可以保證在測(cè)量的過(guò)程中，GPS測(cè)量的點(diǎn)位與測(cè)深儀測(cè)量的水下點(diǎn)位在同一條鉛垂線上。在測(cè)量過(guò)程中，在GPS測(cè)定換能器的坐標(biāo)、高程的同時(shí)，測(cè)深儀測(cè)定了水下點(diǎn)位的水深，將GPS測(cè)量的高程減去測(cè)深儀測(cè)量的水深，得到水下點(diǎn)位

4、的坐標(biāo)與高程。則水下點(diǎn)位的高程H公式為 H=H1-（H2+H3），如圖1所示。圖1 水下測(cè)量點(diǎn)高程換算示意圖GPS在RTK作業(yè)模式下，可實(shí)時(shí)得到待測(cè)點(diǎn)位的坐標(biāo)高程，定位精度可達(dá)到厘米級(jí)，目前GPS輸出頻率一般都在10hz，高的可達(dá)到20 hz，對(duì)時(shí)間造成的定位位移延遲很小，還有測(cè)深儀的定位時(shí)間與GPS的定位時(shí)間的延遲，這個(gè)可通過(guò)軟件來(lái)控制，在電腦上裝有控制GPS數(shù)據(jù)采集與測(cè)深儀測(cè)深的軟件，來(lái)控制GPS數(shù)據(jù)采集與測(cè)深儀測(cè)深的同步。在測(cè)量的過(guò)程中，通過(guò)電腦可以將測(cè)得數(shù)據(jù)直接顯示在電腦顯示器上，可以判別數(shù)據(jù)采集的稀疏程度，還可以根據(jù)軟件來(lái)對(duì)船只進(jìn)行導(dǎo)航，保證測(cè)量數(shù)據(jù)是在測(cè)區(qū)范圍以內(nèi)。在以往的測(cè)量中，

5、這些都是通過(guò)人為的控制，對(duì)于大面積的水下測(cè)量，往往將測(cè)量數(shù)據(jù)整理出來(lái)以后，發(fā)現(xiàn)有些區(qū)域測(cè)量點(diǎn)位密度不夠或者某些范圍漏測(cè)的現(xiàn)象，常常還需要進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，補(bǔ)測(cè)過(guò)程中，補(bǔ)測(cè)的區(qū)域也不好控制。2. 作業(yè)方法2.1岸上工作先在岸邊空曠區(qū)域的控制點(diǎn)上架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，在基本站設(shè)置完畢后，設(shè)置流動(dòng)站，設(shè)置好流動(dòng)站以后，需要對(duì)河流的穿越點(diǎn)進(jìn)行校對(duì)，檢查結(jié)果正確以后，在開(kāi)始船上的操作。2.2 水上工作首先在船上固定測(cè)深儀，將測(cè)深儀的換能器牢固的安置在船的旁邊，盡量遠(yuǎn)離船的發(fā)動(dòng)機(jī)，以免在發(fā)動(dòng)機(jī)附近的震動(dòng)與開(kāi)動(dòng)過(guò)程中葉輪產(chǎn)生的氣泡對(duì)測(cè)深儀造成影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或暫時(shí)不能測(cè)量數(shù)據(jù)。換能器盡量安裝在船頭的位置，放

6、置于水面下3040cm。然后，再在換能器上方安置GPS流動(dòng)站衛(wèi)星接收器，安裝過(guò)程中，保證GPS衛(wèi)星接收器垂直，安裝完畢以后，進(jìn)行計(jì)算機(jī)連接，分別連接GPS與測(cè)深儀，保證兩臺(tái)儀器都能在電腦上工作正常。最后，在測(cè)區(qū)范圍尋找水流緩慢區(qū)域，水深較淺的進(jìn)行開(kāi)始測(cè)量前的數(shù)據(jù)比對(duì)工作，利用人工測(cè)量的水深與測(cè)深儀測(cè)量的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)測(cè)量結(jié)果一致時(shí)，在開(kāi)始測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)需要重點(diǎn)測(cè)量區(qū)域，如管道穿越斷面附近，可采用GPS的導(dǎo)航功能，引導(dǎo)船只在此區(qū)域多次航行，以便測(cè)度準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。2.3 內(nèi)業(yè)工作 在測(cè)量完畢以后，可通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成成圖軟件可用的數(shù)據(jù)格式，直接成圖即可。對(duì)于數(shù)據(jù)密度不夠或需要補(bǔ)

7、測(cè)的區(qū)域，將補(bǔ)測(cè)范圍的數(shù)據(jù)直接輸入計(jì)算機(jī)后，進(jìn)行導(dǎo)航測(cè)量。3. 注意事項(xiàng)1）在數(shù)據(jù)采集的時(shí)刻，要保證船體的不能傾斜，如果船體傾斜，則會(huì)對(duì)測(cè)深儀的水深測(cè)量、GPS的定位位置與測(cè)深儀測(cè)量水下點(diǎn)位位置都產(chǎn)生偏差。在水流較緩的河流中，可以減慢船只的行使速度，保證船體的水平；對(duì)于河流流速較大，則最好采用船體自身質(zhì)量大的船只，也能很好的保持船只的水平。2）在GPS流動(dòng)站工作的開(kāi)始與結(jié)束，都需要對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行檢校，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；在測(cè)深儀開(kāi)始工作前后，也要對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行檢校，保證水深測(cè)量正確性。3）基準(zhǔn)站架設(shè)位置要求位置較高，不能遠(yuǎn)離測(cè)區(qū)，并且衛(wèi)星接收機(jī)上方無(wú)遮擋，遠(yuǎn)離高壓電線與通訊塔，以保證船上的流動(dòng)站

8、能夠?qū)崟r(shí)得到固定解。4）數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，只有在RTK為固定解時(shí)，并且測(cè)深儀數(shù)據(jù)顯示正常的情況下，才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。5） 要求準(zhǔn)備充足的電瓶，在船上，測(cè)深儀、計(jì)算機(jī)都需要電源才能正常工作。4 結(jié)論與分析與傳統(tǒng)的水下測(cè)量作業(yè)模式相比較，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)定位精度高，采用GPS-RTK測(cè)量，定位精度在厘米級(jí)，水深測(cè)量與平面測(cè)量是同時(shí)進(jìn)行的。傳統(tǒng)作業(yè)模式采用人工交會(huì)的辦法，水深測(cè)量與平面位置測(cè)量是分離的，很難保持水深測(cè)量與平面測(cè)量的同步性，儀器定位精度低，再加之觀測(cè)過(guò)程中人為的觀測(cè)將造成某些數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤，還要影響最終數(shù)據(jù)的辨析。(2)工作效率高，采用這種作業(yè)模式，船上只需要2個(gè)人就完全可以控

9、制數(shù)據(jù)的采集，并且還可根據(jù)計(jì)算機(jī)的顯示來(lái)判別數(shù)據(jù)采集的密度和需要進(jìn)行補(bǔ)測(cè)的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。傳統(tǒng)的作業(yè)模式需要至少8個(gè)人，才能開(kāi)展測(cè)量工作，相比之下大大節(jié)省了人力資源。(3) 水下地形點(diǎn)位高程不受水面高程變化的影響，在測(cè)量過(guò)程中，GPS實(shí)時(shí)測(cè)量換能器位置的坐標(biāo)、高程，由公式H=H1-（H2+H3）可以看出，GPS測(cè)量高程與測(cè)深儀測(cè)量的水深相減就得到了水下點(diǎn)位的高程，水下點(diǎn)位的高程不受水面變化的影響。傳統(tǒng)作業(yè)模式中，開(kāi)始測(cè)量前后均要測(cè)量水面高程，再由平均水面高程減去測(cè)深儀測(cè)量的水深求得水下點(diǎn)位的高程，水下點(diǎn)位的高程受到水面的影響，對(duì)于河流落差較大，或者上游水庫(kù)、電站放水造成的水面高程變化的，沒(méi)有合理的處理辦法。(4)受天氣影響小，GPS目前可全天候作業(yè)，在風(fēng)、雨、雪等天氣條件下，均可正常工作，在夜間，仍然可以使用，與傳統(tǒng)作業(yè)模式比，擴(kuò)大了工作時(shí)間，受限制的條件減少了。5 結(jié)束語(yǔ)GPS系統(tǒng)的未來(lái)是無(wú)可限量，技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的夢(mèng)想也是沒(méi)有止境的。GPS技術(shù)應(yīng)用于水下地形測(cè)量是一項(xiàng)重大技術(shù)革命，其應(yīng)用及開(kāi)發(fā)的前景十分廣闊。尤其是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)定位技術(shù)在水下地形測(cè)量中蘊(yùn)含著巨大的技術(shù)潛力，如何快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行水下地形測(cè)量是廣大測(cè)繪工作者今后面臨的一個(gè)重要課題。參 考 文 獻(xiàn)1 劉普海，水利水電工程測(cè)量M，水利水電出版社，2005.07.2 無(wú)錫海鷹HY1600高精度測(cè)量型測(cè)深