GPS无验潮多波束水下地形测量技术的分析与应用

何广源,吴迪军,李剑坤

（1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430050）

琼州海峡位于广东省雷州半岛和海南岛之间，西接北部湾，东连南海北部，呈东西向延伸，海峡东西长约80 km，南北平均宽度为29.5 km。规划中的琼州海峡跨海通道工程（西线方案）海中轴线长约42 km，该工程可行性研究阶段需测绘中线两侧各5 km范围内的海床地形。由于跨海距离长、海域水深大、测区面积大、精度要求较高、海洋气候恶劣，常规的水下地形测量方法无法满足工程应用的需要，必须综合运用GPS定位技术和多波束水深测量技术。多波束技术在大区域、大范围的水下地形测量中具有单波束技术不可比拟的优势[1-4]，同时GPS无验潮测量方法具有成本低、效率高、精度高、可全天候、无需验潮且能有效消除传统作业模式中船只动态吃水和涌浪等因素的影响等优点[5]；两者结合是目前近海海域大范围水下地形测量的主流技术方法。本文以琼州海峡跨海通道工程水下地形测量项目为背景，探讨了基于GPS的无验潮多波束水下地形测量方法及其应用技术。

1 测量原理与方法

1.1 基本原理

传统的海域水下地形测量方法一般采用GPS定位确定海底地形测点的平面坐标（x，y），而其高程h则通过验潮求得[6]。GPS水下地形测量的基本原理如图1所示。

图1中，h0为通过验潮方法求得的水面标高，h1为测深仪换能器到水面的垂直距离，h2为测深仪换能器到海底的垂直距离，h3为GPS天线高，h4为GPS天线到换能器的高度。测点的海底高程h可以由以下关系式求得：

图1 GPS水下地形测量原理图

式（1）、式（2）分别表示验潮模式和无验潮模式下GPS水下地形测量的基本原理。由式(2)直接确定海底测点的高程而无需要进行验潮，故称之为GPS无验潮水下地形测量方法[7]。

多波束测深系统的工作原理是通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角定向发射和接收，通过各种传感器（卫星定位系统、运动传感器、电罗经、声速剖面仪等）对各个波束测点的空间位置进行归算，从而获取与航向垂直的条带式高密度水深数据[1-4]。多波束测深系统同单个宽波束的回声测深仪相比，具有横向覆盖范围大（为深度的几倍）、波束窄（约为3°～5°）、效率高等优点，特别适用于海上工程施工区和重要航道等较大面积的水下地形精确测量。GPS无验潮多波束水下地形测量正是充分利用GPS RTK技术和多波束测深系统优点的一种新方法。

1.2 测量方法及关键点

1）在测区内布设GPS控制网，采用GPS 静态方法观测并进行高程联测，计算各点的平面坐标和高程，求取测区内的坐标转换七参数。

2）在测区内选择满足要求的若干控制点，架设GPS接收机和无线电台，建立RTK基准站。琼州海峡最宽处直线距离为33.5 km，因此必须选择高频信号发送差分数据，以确保海上空旷环境下信号覆盖半径约为18～20 km。

3）为了确保GPS无验潮水深测量成果的精度及其可靠性，应采用传统验潮站方法对GPS RTK测高成果进行校核及修正[8]。由于本项目区域附近没有固定验潮站，考虑到精度要求，在测区附近南、北岸的玉包港、放坡村分别设立临时验潮站，临时验潮站布置满足潮位站之间潮时差在2 h以内同时落差在1 m以内的要求。采用测量精度为1 cm的YJD-1自动水位计在作业期间进行连续观测潮位，潮位记录时间间隔5 min，满足了GPS验潮的验证和修正目的。

4）为了保证多波束扫测的正确性和可靠性，作业期每天采用高精度声速剖面仪进行声速采集，并对比仪测水深与锤测水深，误差满足要求后方可进行测量作业。

5）采用抗风浪性较好的大型测量船舶，同时避免行船方向与海浪方向垂直，测线布设与海浪方向一致，尽量减少风浪影响。

6）根据测区控制网解算结果计算测区高程异常值参数，并用10 cm的等高距，建立测区高程异常分布图和高程异常模型。利用Hypack数据采集软件，根据GPS RTK的固定解实时改正多波束系统中测点的高异常值。

7）合理设计测量计划，要求主测线间数据重复率大于20%，并按大致10%的比例布设检查测线。检查线与主测线基本正交，保证足够的冗余度用于内业数据处理中的检核。

2 数据结果与分析

2.1 潮位数据结果与分析

1）潮位率定。YJD-1为投入式压阻水位计，需要率定斜率K和偏移B2个值，用于水位计记录文件的改正。率定方法为大、中、小潮时采用仪测潮位与水位计记录同步比对。实测潮位使用全站仪观测和设立直立式水尺观测方法。图2为南岸侧玉包港验潮站斜率K和偏移B的率定结果。

图2 南岸潮位站率定结果

图3为南岸潮位站作业期间局部经修正后的潮位过程图。由图3可知，原始实测潮位与平均潮位曲线吻合很好，表明实测潮位值精度可靠，可以用作检验和修正多波束测深系统中的GPS验潮结果。

图3 南岸潮位站5月份局部潮位过程线

2）GPS潮位修正。利用GPS RTK技术，通过时间偏差改正、姿态改正、高程异常改正、信号处理和吃水改正及船舶姿态修正，获得更能代表测点精密在航潮位的真实值，即GPS潮位。GPS RTK测量过程中，存在GPS失锁、数据链失效等故障，作业期间出现过近15 d断断续续测量及GPS潮位短暂中断、微小跳跃等现象。因此，短时间内GPS潮位可利用南、北两岸临时验潮站的数据进行平滑处理，以满足测量要求。图4为某一时段GPS验潮与临时验潮站潮位比较结果图。

图4 GPS验潮与临时验潮站潮位比较图

2.2 多波束水深测量结果与分析

多波束外业扫测的成果质量，以检查线与主测线重复测量精度来评价。利用检查测线与主测线相同区域内的三维数据，共489 880点构建979 758个三角形，通过Hypack软件计算，检查测线测量成果与测线测量成果基本上呈正态分布，成果精度指标见表1。结果表明，本文方法在实际应用中具有一定的准确性、可行性和有效性，成果满足相关规范和本项目技术设计要求。

表1 多波束水深测量成果精度

3 结 语

本文根据琼州海峡跨海通道工程水下地形测量自身独有的特点，具体分析和探讨了一些可行的实施步骤、方法及成果质量保证措施。实践表明，本文方法在实际应用中具有一定准确性、可行性和有效性，成果满足相关规范和本项目技术设计要求，为同类工程应用提供了一定参考和借鉴作用。

[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, 王小华, 华祖根，等. 多波束勘测原理技术与方法[M]. 北京: 海洋出版社, 1999

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[8]徐永斌, 黄辰虎, 申家双，等. 潮汐对多波束测深的影响与改正[J]. 海洋测绘, 2008, 28(2): 29-32