GPS無(wú)驗(yàn)潮多波束水下地形測(cè)量技術(shù)的分析與應(yīng)用

何廣源,吳迪軍,李劍坤

（1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430050）

瓊州海峽位于廣東省雷州半島和海南島之間，西接北部灣，東連南海北部，呈東西向延伸，海峽東西長(zhǎng)約80 km，南北平均寬度為29.5 km。規(guī)劃中的瓊州海峽跨海通道工程（西線方案）海中軸線長(zhǎng)約42 km，該工程可行性研究階段需測(cè)繪中線兩側(cè)各5 km范圍內(nèi)的海床地形。由于跨海距離長(zhǎng)、海域水深大、測(cè)區(qū)面積大、精度要求較高、海洋氣候惡劣，常規(guī)的水下地形測(cè)量方法無(wú)法滿足工程應(yīng)用的需要，必須綜合運(yùn)用GPS定位技術(shù)和多波束水深測(cè)量技術(shù)。多波束技術(shù)在大區(qū)域、大范圍的水下地形測(cè)量中具有單波束技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)[1-4]，同時(shí)GPS無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量方法具有成本低、效率高、精度高、可全天候、無(wú)需驗(yàn)潮且能有效消除傳統(tǒng)作業(yè)模式中船只動(dòng)態(tài)吃水和涌浪等因素的影響等優(yōu)點(diǎn)[5]；兩者結(jié)合是目前近海海域大范圍水下地形測(cè)量的主流技術(shù)方法。本文以瓊州海峽跨海通道工程水下地形測(cè)量項(xiàng)目為背景，探討了基于GPS的無(wú)驗(yàn)潮多波束水下地形測(cè)量方法及其應(yīng)用技術(shù)。

1 測(cè)量原理與方法

1.1 基本原理

傳統(tǒng)的海域水下地形測(cè)量方法一般采用GPS定位確定海底地形測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)（x，y），而其高程h則通過(guò)驗(yàn)潮求得[6]。GPS水下地形測(cè)量的基本原理如圖1所示。

圖1中，h0為通過(guò)驗(yàn)潮方法求得的水面標(biāo)高，h1為測(cè)深儀換能器到水面的垂直距離，h2為測(cè)深儀換能器到海底的垂直距離，h3為GPS天線高，h4為GPS天線到換能器的高度。測(cè)點(diǎn)的海底高程h可以由以下關(guān)系式求得：

圖1 GPS水下地形測(cè)量原理圖

式（1）、式（2）分別表示驗(yàn)潮模式和無(wú)驗(yàn)潮模式下GPS水下地形測(cè)量的基本原理。由式(2)直接確定海底測(cè)點(diǎn)的高程而無(wú)需要進(jìn)行驗(yàn)潮，故稱(chēng)之為GPS無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量方法[7]。

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)聲波發(fā)射與接收換能器陣進(jìn)行聲波廣角定向發(fā)射和接收，通過(guò)各種傳感器（衛(wèi)星定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)傳感器、電羅經(jīng)、聲速剖面儀等）對(duì)各個(gè)波束測(cè)點(diǎn)的空間位置進(jìn)行歸算，從而獲取與航向垂直的條帶式高密度水深數(shù)據(jù)[1-4]。多波束測(cè)深系統(tǒng)同單個(gè)寬波束的回聲測(cè)深儀相比，具有橫向覆蓋范圍大（為深度的幾倍）、波束窄（約為3°～5°）、效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于海上工程施工區(qū)和重要航道等較大面積的水下地形精確測(cè)量。GPS無(wú)驗(yàn)潮多波束水下地形測(cè)量正是充分利用GPS RTK技術(shù)和多波束測(cè)深系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的一種新方法。

1.2 測(cè)量方法及關(guān)鍵點(diǎn)

1）在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)GPS控制網(wǎng)，采用GPS 靜態(tài)方法觀測(cè)并進(jìn)行高程聯(lián)測(cè)，計(jì)算各點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，求取測(cè)區(qū)內(nèi)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)。

2）在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇滿足要求的若干控制點(diǎn)，架設(shè)GPS接收機(jī)和無(wú)線電臺(tái)，建立RTK基準(zhǔn)站。瓊州海峽最寬處直線距離為33.5 km，因此必須選擇高頻信號(hào)發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，以確保海上空曠環(huán)境下信號(hào)覆蓋半徑約為18～20 km。

3）為了確保GPS無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量成果的精度及其可靠性，應(yīng)采用傳統(tǒng)驗(yàn)潮站方法對(duì)GPS RTK測(cè)高成果進(jìn)行校核及修正[8]。由于本項(xiàng)目區(qū)域附近沒(méi)有固定驗(yàn)潮站，考慮到精度要求，在測(cè)區(qū)附近南、北岸的玉包港、放坡村分別設(shè)立臨時(shí)驗(yàn)潮站，臨時(shí)驗(yàn)潮站布置滿足潮位站之間潮時(shí)差在2 h以?xún)?nèi)同時(shí)落差在1 m以?xún)?nèi)的要求。采用測(cè)量精度為1 cm的YJD-1自動(dòng)水位計(jì)在作業(yè)期間進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)潮位，潮位記錄時(shí)間間隔5 min，滿足了GPS驗(yàn)潮的驗(yàn)證和修正目的。

4）為了保證多波束掃測(cè)的正確性和可靠性，作業(yè)期每天采用高精度聲速剖面儀進(jìn)行聲速采集，并對(duì)比儀測(cè)水深與錘測(cè)水深，誤差滿足要求后方可進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。

5）采用抗風(fēng)浪性較好的大型測(cè)量船舶，同時(shí)避免行船方向與海浪方向垂直，測(cè)線布設(shè)與海浪方向一致，盡量減少風(fēng)浪影響。

6）根據(jù)測(cè)區(qū)控制網(wǎng)解算結(jié)果計(jì)算測(cè)區(qū)高程異常值參數(shù)，并用10 cm的等高距，建立測(cè)區(qū)高程異常分布圖和高程異常模型。利用Hypack數(shù)據(jù)采集軟件，根據(jù)GPS RTK的固定解實(shí)時(shí)改正多波束系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)的高異常值。

7）合理設(shè)計(jì)測(cè)量計(jì)劃，要求主測(cè)線間數(shù)據(jù)重復(fù)率大于20%，并按大致10%的比例布設(shè)檢查測(cè)線。檢查線與主測(cè)線基本正交，保證足夠的冗余度用于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中的檢核。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

2.1 潮位數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

1）潮位率定。YJD-1為投入式壓阻水位計(jì)，需要率定斜率K和偏移B2個(gè)值，用于水位計(jì)記錄文件的改正。率定方法為大、中、小潮時(shí)采用儀測(cè)潮位與水位計(jì)記錄同步比對(duì)。實(shí)測(cè)潮位使用全站儀觀測(cè)和設(shè)立直立式水尺觀測(cè)方法。圖2為南岸側(cè)玉包港驗(yàn)潮站斜率K和偏移B的率定結(jié)果。

圖2 南岸潮位站率定結(jié)果

圖3為南岸潮位站作業(yè)期間局部經(jīng)修正后的潮位過(guò)程圖。由圖3可知，原始實(shí)測(cè)潮位與平均潮位曲線吻合很好，表明實(shí)測(cè)潮位值精度可靠，可以用作檢驗(yàn)和修正多波束測(cè)深系統(tǒng)中的GPS驗(yàn)潮結(jié)果。

圖3 南岸潮位站5月份局部潮位過(guò)程線

2）GPS潮位修正。利用GPS RTK技術(shù)，通過(guò)時(shí)間偏差改正、姿態(tài)改正、高程異常改正、信號(hào)處理和吃水改正及船舶姿態(tài)修正，獲得更能代表測(cè)點(diǎn)精密在航潮位的真實(shí)值，即GPS潮位。GPS RTK測(cè)量過(guò)程中，存在GPS失鎖、數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)У裙收?，作業(yè)期間出現(xiàn)過(guò)近15 d斷斷續(xù)續(xù)測(cè)量及GPS潮位短暫中斷、微小跳躍等現(xiàn)象。因此，短時(shí)間內(nèi)GPS潮位可利用南、北兩岸臨時(shí)驗(yàn)潮站的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以滿足測(cè)量要求。圖4為某一時(shí)段GPS驗(yàn)潮與臨時(shí)驗(yàn)潮站潮位比較結(jié)果圖。

圖4 GPS驗(yàn)潮與臨時(shí)驗(yàn)潮站潮位比較圖

2.2 多波束水深測(cè)量結(jié)果與分析

多波束外業(yè)掃測(cè)的成果質(zhì)量，以檢查線與主測(cè)線重復(fù)測(cè)量精度來(lái)評(píng)價(jià)。利用檢查測(cè)線與主測(cè)線相同區(qū)域內(nèi)的三維數(shù)據(jù)，共489 880點(diǎn)構(gòu)建979 758個(gè)三角形，通過(guò)Hypack軟件計(jì)算，檢查測(cè)線測(cè)量成果與測(cè)線測(cè)量成果基本上呈正態(tài)分布，成果精度指標(biāo)見(jiàn)表1。結(jié)果表明，本文方法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的準(zhǔn)確性、可行性和有效性，成果滿足相關(guān)規(guī)范和本項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

表1 多波束水深測(cè)量成果精度

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)瓊州海峽跨海通道工程水下地形測(cè)量自身獨(dú)有的特點(diǎn)，具體分析和探討了一些可行的實(shí)施步驟、方法及成果質(zhì)量保證措施。實(shí)踐表明，本文方法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定準(zhǔn)確性、可行性和有效性，成果滿足相關(guān)規(guī)范和本項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)要求，為同類(lèi)工程應(yīng)用提供了一定參考和借鑒作用。

[1]Grigorescu S D, Cepisca C, Jula N. Trend of Standards for Hydrographic Survey[C]. Proceedings of the 5th IASME/WSEAS Int, 2007

[2]International Hydrographic Organization. IHO Standards for Hydrographic Surveys[S]. Monalo: International Hydrographic Bureau, 2008

[3]李家彪, 王小華, 華祖根，等. 多波束勘測(cè)原理技術(shù)與方法[M]. 北京: 海洋出版社, 1999

[4]黃謨濤, 翟國(guó)君, 管錚，等. 多波束測(cè)探技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J]. 海洋測(cè)繪, 2001(3):2-7

[5]白征東, 沈云中. 應(yīng)用GPS進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 28(1) :37-40

[6]陽(yáng)凡林, 趙建虎. GPS驗(yàn)潮中波浪的誤差分析和消除[J]. 海洋測(cè)繪, 2003, 23(3):1-4

[7]馬小計(jì), 何義斌, 趙建虎. 無(wú)驗(yàn)潮模式下的GPS水下地形測(cè)量技術(shù)[J]. 測(cè)繪科學(xué), 2003, 28(2): 29-30

[8]徐永斌, 黃辰虎, 申家雙，等. 潮汐對(duì)多波束測(cè)深的影響與改正[J]. 海洋測(cè)繪, 2008, 28(2): 29-32