差分GPS水深测量系统在港口工程中的运用

黄智敏

天津港航工程有限公司天津市300456

摘要：水深测量的目的是为了求得河底高程，并据此绘制水下断面图及水下地形图。过去，水深测量所采用的工具有测深锤、测深杆或回声波测深仪，这些作业方法均已赶不上时代发展的要求。在工程测量领域，随着GPS研究的不断深入，其应用范围不断在扩展。目前，GPS测量的一个重要应用领域就是利用差分GPS系统进行水深测量（包括海图测量及内河航道图的测量）。

关键词：差分GPS水深测量系统；港口工程；运用；

差分GPS以其为用户提供全球、全天候、连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息的独特优点，在水深测量中得到广泛应用，为在宽阔水域、港湾水深测量、航道水深测量、挖漕水下测量、固定断面水深测量、沉船沉物测摸等提供了极为便利的测量手段，使水深测量工作有了质的飞跃。

一、原理

GPS水深测量系统主要由便携式计算机、GSP信标机、数字化测深仪及电源四部分所组成。便携式计算机需用PC扩展卡扩展为两个COM口，以便联结测深仪和GPS信标机，同时还需制作一个专用电源线为其供电，另外由于是水上作业，便携式计算机应注意防水（特别是键盘）。信标机是本系统的核心部件，其定位精度可达亚米级。数字化回声测深仪采用测深精度可达0.lm。电瓶电源可通过逆变器为计算机、测深仪和GPS信标机供电。差分GPS水深测量系统的核心部件是GPS信标机，它与传统差分定位的不同之处是信标机仅需一台即能实现亚米级的定位，从而无需设立基准站，其差分信号来源于我国交通部在沿海建立的公用信标台站，并且其作用距离可达30Okm。虽然其仅需一台机子即可实现差分定位，但其基本工作原理仍是差分GPS定位技术。差分GSP定位技术，是将GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据已知的基准站的精密坐标计算出坐标、距离或相位改正数，并由基准站通过数据链实时将改正数发送给流动的用户接收机，从而改正其定位结果，提高定位精度。根据基准站发送信息方式的不同，差分GPS定位分为位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分和载波相位差分四种形式。

二、差分GPS水深测量系统在港口工程中的运用

1.基准站地心坐标的求定及转换。GPS定位是以GPS卫星为基准点的空间定位系统在工程测量中，要求我们提供的图纸资料为国家坐标系统。因此，就需要将GPS控制网与已知的国家控制点进行联测，以求得两个坐标系间的转换。基准站的地心坐标，可以采用GPS接收机直接测量的方法获得，也可以采用“联测”的方法。具体用哪种方法，可依精度要求而定。至于地心坐标的转换问题，目前已有较深入的研究，最为普遍的做法是采用以下数学模型进行转换。按照坐标转换的次序，先求解出旋转参数，即将两坐标系的坐标轴转动角度使其相互平行；此后，再进行尺度因子改正，使两坐标系上的同一段距离相等；最后，进行平移，使两坐标系的原点重合。这样，便得到国家坐标系统或地方系统中的坐标了。

2.外业数据的采集。在进行外业数据采集前，做好必要的前期准备工作是顺利完成外业数据采集的基础和关键，前期准备工作主要包括测量船的选择、仪器的安装与调试，区域坐标转换参数的确定及测线的布置等。水位测量是水深测量不可缺少的数据，因此在测量过程中每隔一段时间都要从现有水文站上获取观测期间的水位数据，以便对测得的水深进行改正。若测区既无水文站，又无已有的水文资料可供参考，则只能用水准仪制作临时水尺以获得测段的水位数据。本次测量是从1个港区的水准点上用水准测量的方法分别制作了1个临时水尺。由于长江南京段受潮汐影响较大，因此观测过程中每隔在临时水尺上读取一次水位数据。所选择的测量船要便于固定，天线及换能仪，天线和换能仪的平面位置要尽可能地保持一致。测量船的驾驶舱至少能容纳两人（驾驶员和仪器操作员），而且舱内要便于摆放测深仪、便携式计算机、电池、信标机以及逆变器等仪器。测量船的大小对测量精度也有影响，考虑到长江的实际情况，在距离江心较近的水域，因船的航向受水流及风向的影响较大，出于安全因素的考虑，应选用较大的测量船，我们在靠江心及岸边的不同水域带选用了大小不同的测量船分别进行测量，保证了测量的效率和精度。天线的安放要尽可能的高，以消除多路径对测量精度的影响。仪器调试主要是对测深仪的吃水深度和声速加以改正，以尽可能地消除系统误差。在船只航行时，由于受船速、波浪和水流等因素影响，动态吃水改正数和静态吃水改正数是不同的，为此，针对特定船只可测定换能器在不同船速时的吃水值，通过不同船速对吃水值进行多项式曲线拟合，按照最小二乘拟合方法解算出拟合系数，然后通过测深线的不同测深点的时间和位置信息解算出船速，代入拟合公式可求取动态吃水改正数。静态吃水改正数是一个基本恒定的量，在改正时可按照时间区间改正吃水或者按照不同测线改正吃水，方式比较灵活。

测量其实际的深度与测深仪在当时、当地测得的深度作比较，其差值即为测深仪总改正数。校对仪器应在水况平静，船只处于漂泊和平稳状态，测深仪器处于正常工作状态下进行。进行外业数据采集之前还需要确定区域坐标转换参数，以便准确地求得系统转换参数。测深线的布置可分为平行布线、区域布线、扇形布线以及沿中心点垂直布线等几种。根据码头测量区域的形状以及码头附近水下地形的变化情况，在进行数据采集时，测量船沿着测深线每隔采集一个测深点，计算机自动记录每个测深点的平面位置和水深数据，测量船的航向要尽量与事先布置的测线一致。转向时船速要尽可能的慢，以便将由于换能器的倾斜所带来的水深误差降至最低。在便携式计算机中要经常更换记录文件并保存数据，避免数据的丢失。记录数据要在测量船前进时进行，当船倒退时应暂停记录，因为船在倒退时会产生很多气泡，这时测深仪所记录的数据多为假水深。

3.内业数据的整理。内业数据的整理是整个水深测量过程中的一个重要环节，测量数据处理技术和方法直接影响成果的质量、数量及其应用。它是利用在外业中所采集到的数据，通过相关软件对其进行加工、处理，最终形成可以指导施工、行船及相关作业的水下地形图。内业数据整理可以分为采集数据的导出、采集数据的引入、岸边线的绘制、等深线的生成、等深线的编辑以及图形分幅和打印几个阶段，采集数据导出之前首先要进行水深编辑，然后添加水尺和对水位进行改正。水位改正即是以测时水尺读数为依据，将计算机中所记录的所有水深数据换算为我们所需要的高程数据。水位改正分绝对高程改正、相对高程改正和无验潮站高程改正等三类。由于本次工程最终是要绘制水下地形图，需要的数据为水底高程，所以应选择绝对高程改正。根据特征点绘制岸边线，也可以从软件中直接引入现成岸线图形文件的123格式。最后根据高程点绘制等高线，所绘制的等高线一般不平滑，需要对其进行手工调整，既保证其准确性，又保证图面的美观与平滑。最后一步是对成果图的分幅和打印，可以在软件中进行，也可以将其导入其它软件中进行。

用差分GPS水深测量系统进行水下地形图的测绘是一个不断探索、不断完善的过程。新的工程技术要求我们不断完善和改进测量仪器，比如，多波束测深系统已较大规模投入水深测量，机械激光测深、遥感水深测量也将实用化。同时外业采集软件及内业处理软件也在不断的发展完善，使其更加人性化和智能化。只有不断适应新的形势，经常注入新技术、扩充新功能，才能不断提高成果质量

参考文献：

[1]刘大杰、施一民.全球定位系统（GPS）的原理与数据处理.上海：同济大学出版社，2017（3）.

[2]阳凡林、孔祥元.利用GPSRTK等多资源信号测算水库库容的应用研究.测绘工程，2017（2）.

[3]赵俊生、王建斌.GPS测量基准点坐标转换的探讨.测绘通报，2017（7）.