高精度水深測(cè)量水位改正方法研究

高精度水深測(cè)量水位改正方法研究摘要：在分析水位觀測(cè)方法和潮位模型缺陷的基礎(chǔ)上，給出了GPS實(shí)時(shí)潮位改正的測(cè)量方法?；贕PSRTK動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，水位改正對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行了分析，提出提高GPS-RTK實(shí)時(shí)潮位測(cè)量精度的方法。將這些研究成果應(yīng)用到連云港新建徐圩航道的回淤觀測(cè)工程中，觀測(cè)結(jié)果表明GPS無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量方法相對(duì)傳統(tǒng)的潮位改正測(cè)量方法在實(shí)施的簡(jiǎn)便性、精度等方面具有較大的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：GPSRTK無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量；姿態(tài)改正；垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換；動(dòng)態(tài)吃水概述對(duì)于航道回淤研究分析和岸灘沖淤分析，水深測(cè)量是一項(xiàng)有效的觀測(cè)手段，通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)不同時(shí)期的水深變化來(lái)反映開(kāi)挖航道的淤積和岸灘沖淤情況。而水深測(cè)量的水位改正的精度對(duì)于確保水深測(cè)量精度十分重要。現(xiàn)有的水位改正主要分傳統(tǒng)的潮位站改正及GPS-RTK無(wú)驗(yàn)潮實(shí)時(shí)潮位改正。在傳統(tǒng)的海圖測(cè)量中，測(cè)量船處潮位通常是利用驗(yàn)潮站的觀測(cè)潮位通過(guò)潮位模型推算得到。在小比例尺海圖、狹長(zhǎng)航道和錨地測(cè)量中，由于測(cè)量水域距岸邊潮位站的距離較遠(yuǎn)，一般通過(guò)在測(cè)區(qū)附近拋設(shè)驗(yàn)潮儀，再采取分帶內(nèi)插的方式獲得[1-4]。GPS-RTK載波相位差分測(cè)量技術(shù)已能在動(dòng)態(tài)情況下實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)垂直定位。這為GPSRTK無(wú)驗(yàn)潮測(cè)量提供了可能。它能夠準(zhǔn)確地給出船位處實(shí)時(shí)潮位的真實(shí)變化，有效地克服了傳統(tǒng)方法的局限[3]，大大減少了潮位模型誤差對(duì)水下地形測(cè)量的影響。由于原理上的完備性，GPS潮位測(cè)量的精度通常高于傳統(tǒng)潮位測(cè)量的精度，因而也受到廣大海道測(cè)量部門的高度重視[3]。本文就海洋測(cè)量中水位的采集、水位改正方法、實(shí)際工程中的應(yīng)用情況、測(cè)深誤差來(lái)源及提高測(cè)深精度采取措施等方面進(jìn)行探討。水位觀測(cè)方法水深測(cè)量的潮位改正需要收集施測(cè)作業(yè)當(dāng)時(shí)的潮位數(shù)據(jù)，現(xiàn)今的潮位資料收集方式主要有：近岸潮位觀測(cè)、GPS驗(yàn)潮、外海潮位儀三種。2.1近岸潮位觀測(cè)近岸潮位觀測(cè)站布設(shè)于測(cè)區(qū)鄰近港口或較不受波浪影響的岸邊地區(qū)，要求水尺底部需低于最低低潮位面且穩(wěn)固，較長(zhǎng)期的潮位觀測(cè)則常需設(shè)測(cè)井采用自記水位計(jì)連續(xù)觀測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)潮位觀測(cè)站的數(shù)據(jù)可靠，數(shù)據(jù)連續(xù)，基面關(guān)系清晰。2.2GPS驗(yàn)潮GPS驗(yàn)潮是基面GPS-RTK技術(shù)的發(fā)展，可以分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)驗(yàn)潮，較常用的是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)潮位改正。利用GPS進(jìn)行無(wú)驗(yàn)潮模式的水深量測(cè)，省略了潮位觀測(cè)步驟，減少了野外工作量；由于直接得到海底點(diǎn)高程，因而也減少了內(nèi)業(yè)水深量測(cè)數(shù)據(jù)潮位改正后處理的工作量，相對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)方式，該方法可以說(shuō)是一項(xiàng)很大的變革。但受海況條件的限制，以及GPS訊號(hào)接收遮蔽問(wèn)題及無(wú)線電傳輸路徑等之限制，對(duì)于海上作業(yè)，無(wú)驗(yàn)潮模式的水下地形測(cè)量要受電臺(tái)作業(yè)距離的限制，一般作用半徑不超過(guò)20公里。2.3外海潮位儀外海潮位儀往往應(yīng)用于近岸潮位觀測(cè)站無(wú)法控制測(cè)量區(qū)域瞬時(shí)水位時(shí)，采用增設(shè)臨時(shí)水位站。在距離陸地較遠(yuǎn)的海上地區(qū)，潮位數(shù)據(jù)的收集主要采用自容式壓力式潮位儀。要確保儀器在惡劣海況下可以正常運(yùn)作，又要考慮是否會(huì)因?yàn)槿藶橐蛩厥沟脙x器的布放位置產(chǎn)生變化而無(wú)法回收或影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，所以外海儀器置放及維護(hù)的成本較岸邊置放儀器為高。且外海布放儀器損耗較大，人員出海布放或檢視需視天候許可，維護(hù)困難，故外海潮位儀器的點(diǎn)位密度與分布范圍無(wú)法與陸上與近海相比，也造成外海實(shí)時(shí)潮位資料的缺乏。受臨時(shí)潮位站觀測(cè)時(shí)間段短等缺點(diǎn)，雖可采用同步改正法、潮差比法、最小二乘潮位法模式及方法來(lái)進(jìn)行鄰近測(cè)區(qū)長(zhǎng)期驗(yàn)潮站測(cè)深基準(zhǔn)面之傳遞，以獲致較為精準(zhǔn)的臨時(shí)點(diǎn)基準(zhǔn)面資料，但難以滿足精度要求。水位改正方法對(duì)比3.1傳統(tǒng)的水位改正傳統(tǒng)的水深測(cè)量必須同時(shí)觀測(cè)潮高，并利用瞬時(shí)水面作為媒介，將岸測(cè)潮高引算至測(cè)船施測(cè)位置，以進(jìn)行潮汐改正，進(jìn)而得到與岸測(cè)潮高位于同一高程基準(zhǔn)之水深值。但由于測(cè)船施測(cè)位置的潮高，會(huì)與岸測(cè)潮高間存有不一致，其將直接影響到水深測(cè)量成果的正確性。水位改正的方法較多，在水運(yùn)工程水深測(cè)量中，大部分采用分帶法。分帶方法一般可分3種：?jiǎn)握痉謳桓恼浑p站分帶水位改正；三角(三站)分帶改正。水位分帶改正法是基于假定兩個(gè)水位站之間的水面是一個(gè)傾斜的水平面，這就有可能按直線內(nèi)插的方法，求取水深點(diǎn)的水位改正數(shù)，按照同樣的假定，還將這個(gè)方法延伸應(yīng)用于三站之間的分帶改正[5]。測(cè)區(qū)較大水域有必要采用加權(quán)系數(shù)平均值計(jì)算法確定測(cè)深點(diǎn)的水位改正值。加權(quán)系數(shù)平均值的計(jì)算理論依據(jù)是水深測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)水位與其測(cè)區(qū)內(nèi)潮波同相的各水位站的水位是呈相關(guān)關(guān)系，即各站間潮時(shí)和潮高變化與距離成正比[6]。3.2RTK-GPS實(shí)時(shí)潮位改正無(wú)驗(yàn)潮實(shí)時(shí)潮位改正的的其工作原理是在基準(zhǔn)站安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可用GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)性觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給流動(dòng)觀測(cè)站。在用戶端，GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)的計(jì)算并顯示用戶觀測(cè)站的三維坐標(biāo)。結(jié)合GPS天線在船體坐標(biāo)系VFS下的坐標(biāo)、海面相對(duì)VFS原點(diǎn)的垂直距離，獲得瞬時(shí)海面高程，最終獲得在實(shí)時(shí)潮位。水深測(cè)量誤差來(lái)源及提高精度的措施4.1水面高程傳遞誤差海洋測(cè)量海底的高程獲得是依靠水面進(jìn)行傳遞。在高程傳遞的過(guò)程中，需進(jìn)行潮位站水尺零點(diǎn)的測(cè)定、潮位觀測(cè)、潮位改正過(guò)程。以下逐一展開(kāi)討論：（1）潮位站水尺零點(diǎn)的測(cè)定誤差潮位站水尺零點(diǎn)的精度直接關(guān)系潮汐觀測(cè)的準(zhǔn)確度，其測(cè)定是通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量的方法測(cè)定。在水準(zhǔn)測(cè)量過(guò)程中基準(zhǔn)點(diǎn)、儀器、水準(zhǔn)尺、觀測(cè)過(guò)程、標(biāo)石下沉因素會(huì)帶來(lái)誤差，從而給水尺零點(diǎn)高程式帶來(lái)誤差。（2）潮位觀測(cè)誤差潮位觀測(cè)方法主要有水尺觀測(cè)法、驗(yàn)潮井觀測(cè)法和傳感器式水位計(jì)觀測(cè)法。本次抄錄長(zhǎng)期觀測(cè)站的潮位資料是采用驗(yàn)潮井觀測(cè)法觀測(cè)的。它是在特制的豎井中引入海水，保持井內(nèi)外水壓平衡，在井中設(shè)置浮子，由浮子帶動(dòng)記錄滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)從而記錄水面高程變化。在井與海水連通環(huán)節(jié)上設(shè)置了阻尼設(shè)備，這樣在一定程度上消除了波浪的影響，提高了水位判讀精度，同時(shí)也會(huì)引起水位的滯后和壓縮。（3）潮位改正誤差由于潮位改正數(shù)學(xué)模型是將驗(yàn)潮站之間的海面及潮位基準(zhǔn)面作為直線來(lái)處理，僅適用于潮差均勻變化且測(cè)點(diǎn)恰好位于兩驗(yàn)潮站連線上的情況，局部水域潮位的變化規(guī)律與潮位站間水位的變化規(guī)律不一致且實(shí)際情況是海面為不規(guī)則的曲面采用此方法，會(huì)帶來(lái)潮位內(nèi)插的誤差。為了提高監(jiān)測(cè)的精度，在工程實(shí)施中著重做好GPS高程的轉(zhuǎn)換。GPS高程是確定潮位的重要參數(shù)，其精度直接影響著最終潮位測(cè)量成果的精度，因此，在確定潮位之前，需要在已知的控制點(diǎn)上校核，對(duì)GPS平面及高程進(jìn)行質(zhì)量控制。其次在監(jiān)測(cè)過(guò)程中必須監(jiān)控定位系統(tǒng)的定位模式，一旦失鎖，必須重新初始化，確保RTK的模式為固定解。由于風(fēng)浪的作用船體會(huì)發(fā)生橫搖roll、縱搖pitch以及起伏heave變化。這些變化改變了GPS天線在理想船體坐標(biāo)系VFS下的坐標(biāo)，為了獲得瞬時(shí)海面高程，必須進(jìn)行姿態(tài)改正[7]。姿態(tài)改正的主要作用：一是根據(jù)GPS天線處的瞬時(shí)測(cè)量高程獲取瞬時(shí)海面高程；二是補(bǔ)償船體姿態(tài)變化給潮位測(cè)量帶來(lái)的影響。GPS測(cè)量基于WGS84橢球面的大地高，而潮位多用基于理論深度基準(zhǔn)面的海圖高程表示。因此需把大地高轉(zhuǎn)換為海圖高。因此，要實(shí)現(xiàn)WGS84橢球面與海圖理論深度基準(zhǔn)面之間的轉(zhuǎn)換需要通過(guò)兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)[8]。第一步是高程基準(zhǔn)面從橢球面到似大地水準(zhǔn)面之間的轉(zhuǎn)換，即大地高向正常高轉(zhuǎn)換；第二步是高程基準(zhǔn)面從似大地水準(zhǔn)面向理論深度深度基準(zhǔn)面的轉(zhuǎn)換，即正常高向海圖高的轉(zhuǎn)換。5.3觀測(cè)成果以某測(cè)次徐圩航道中心線觀測(cè)資料為例，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件較為理想，觀測(cè)時(shí)通過(guò)海洋站同步觀測(cè)波浪資料，最大浪高28cm,平均波高為11cm。根據(jù)GPSRTK數(shù)據(jù)獲得的瞬時(shí)海面高程按1分鐘的平均值作為實(shí)時(shí)潮位，并與用供油站、徐圩海洋站、車牛山潮位站改正得到的潮位進(jìn)行比較，潮位站及RTK基準(zhǔn)站站位圖如圖4，比較結(jié)果如圖5。若以潮位模型內(nèi)插潮位為參考，則GPSRTK潮位的最大偏差為0．18m，最小為0m，均方根為0.09m。這些參數(shù)表明，在18km航槽范圍內(nèi)GPSRTK潮位和潮位站內(nèi)插潮位具有很好的一致性。圖5有驗(yàn)潮潮位模型改正與GPS-RTK實(shí)時(shí)潮位修正值比較該先導(dǎo)試挖（徐圩航道浚挖至-8m）工程于2010年5月30日交工驗(yàn)收，交工后長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的對(duì)徐圩航道回淤觀測(cè)里，采用無(wú)驗(yàn)潮和有驗(yàn)潮多站改正的測(cè)量方法進(jìn)行了3次大規(guī)模的徐圩航道水下地形及固定斷面測(cè)量。通過(guò)成果對(duì)比結(jié)論：總體對(duì)比來(lái)說(shuō)，兩種測(cè)量方法水深互差平均值為0.07米，第1次和第3次互差均小于15cm，具有較好的對(duì)比性。5.4提高測(cè)深精度的措施根據(jù)上述水深測(cè)量誤差的來(lái)源，可以提高測(cè)深及定位等精度的措施來(lái)提高測(cè)深精度。下面著重討論提高RTK測(cè)高精度的措施。（1）RTK的作用距離RTK技術(shù)當(dāng)前的測(cè)量精度（RMS）平面10mm+2ppm；高程20mm+2ppm。受RTK數(shù)據(jù)鏈的傳播限制和定位精度要求，RTK測(cè)量一般不超過(guò)10km。在GPS接收機(jī)的性能要求方面必須選擇RTK型雙頻接收機(jī)；其次選擇電臺(tái)性能要好，傳送距離要遠(yuǎn)，能正確無(wú)誤的將基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)發(fā)送到流動(dòng)站。在滿足精度的前提下，可以采用中繼站進(jìn)行中轉(zhuǎn)差分信號(hào)。（2）基準(zhǔn)站架設(shè)為了保證RTK測(cè)高的精度，必須嚴(yán)格選擇性能優(yōu)的基準(zhǔn)站。因?yàn)榛鶞?zhǔn)站接收機(jī)每次衛(wèi)星信號(hào)失鎖將會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有流動(dòng)站的正常工作。其次選擇基準(zhǔn)站的站位也十分重要，選擇視野開(kāi)闊，截止高度角應(yīng)超過(guò)15；周圍無(wú)信號(hào)反射物；盡量設(shè)置于相對(duì)制高點(diǎn)上，以方便播發(fā)差分改正信號(hào)；遠(yuǎn)離微波塔、通信塔等大型電磁發(fā)射源200米外，要遠(yuǎn)離高壓輸電線路、通訊線路50米外。（3）流動(dòng)站測(cè)量為了檢驗(yàn)當(dāng)前站RTK作業(yè)的正確性，必須檢查一點(diǎn)以上的已知控制點(diǎn)，，當(dāng)檢核在設(shè)計(jì)限差要求范圍內(nèi)時(shí)，方可開(kāi)始RTK測(cè)量。在RTK測(cè)量水下地形時(shí)，利用確定的動(dòng)態(tài)吃水與船速的關(guān)系，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)鏈的連續(xù)，應(yīng)盡量保持穩(wěn)定的姿態(tài)測(cè)量船勻速，不出現(xiàn)顯著的加速度。（4）觀測(cè)條件船姿對(duì)測(cè)深及平面定位精度的影響較大，必須盡量避免在風(fēng)浪中進(jìn)行測(cè)量，特別是深水作業(yè)時(shí)特別注意船舶姿態(tài)對(duì)測(cè)量的影響。另一方面，開(kāi)發(fā)研制對(duì)測(cè)量船航行時(shí)姿態(tài)的實(shí)時(shí)同步記錄系統(tǒng)（如在各個(gè)航跡點(diǎn)的船舶縱向、橫向搖擺變化）通過(guò)建立模型，對(duì)所測(cè)量的深度、平面位置軌跡進(jìn)行修正。結(jié)語(yǔ)本文結(jié)合水位的觀測(cè)方法及其改正對(duì)水深測(cè)量的影響進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)水位改正這一重要環(huán)節(jié)的討論提出有助提高水深測(cè)量的精度的措施。通過(guò)工程實(shí)例連云港徐圩航道回淤研究水下地形監(jiān)測(cè)中采用無(wú)驗(yàn)潮與有驗(yàn)潮相結(jié)合的辦法，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提高對(duì)測(cè)深的精度，滿足回淤觀測(cè)研究的需要。有驗(yàn)潮水位改正的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在固定長(zhǎng)期驗(yàn)潮站水尺零點(diǎn)固定，基面關(guān)系清晰，潮高資料具有很好的連續(xù)性。無(wú)驗(yàn)潮水位改正的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在速度快、動(dòng)態(tài)水位能夠消除船體上下起伏帶來(lái)的測(cè)深誤差，大大提高水深測(cè)量精度。相對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量方法，該法具有方便、快捷和簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的可操作性和可行性。PAGEPAGE7參考文獻(xiàn)：[1]趙建虎，劉經(jīng)南，周豐年．GPS測(cè)定船體姿態(tài)方法研究[J]．武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，25(4)，353—357．[2]趙建虎，周豐年，張紅梅．船載GPS水位測(cè)量方法研究[J]．測(cè)繪通報(bào)，2001(S1)：1—3．[3]MannD．GPSTechniquesinTidalModeling[J]．TheImemationalHydrographicReview，2007，5(2)：59～71．[4]JianhuZhao，JohnE，ClarkH，eta1．On—the—nyGPStidemeasurementalongSaintJohnRiver[JJ．IntemationalHydrographicReviewer，2004，5(3)，48—58．[5]《水運(yùn)工程測(cè)量手冊(cè)》編寫(xiě)組．水運(yùn)工程測(cè)量手冊(cè)[M1．北京：人民交通出版社，2001．[6]黎學(xué)宇，水深測(cè)量中水位數(shù)據(jù)處理方法及程序開(kāi)發(fā)[J]．水運(yùn)工程，2009：155[7]IvesDC，ZachafiasRM．Conformalmappingandorthogonaldgeneration[C]／／InAIAA／SAE／ASM