摘要：隨著我國GPS技術的不斷快速發展，水下測量技術也隨之取得了相應的進步，而且已趨于成熟，基本上定型于“GPS+計算機(含數據處理軟件)+測深儀”的測量模式，本文就其基本原理、儀器設備及工程實踐中的注意事項做一簡單闡述，并結合工程實例說明了該模式在實際應用中的可靠性
　　關鍵詞：GPS技術，水下地形測量
　　1水下地形測量基本原理
　　1.1GPS定位技術
　　GPS即全球定位系統(GlobalPositioningSystem)，基本原理是衛星不問斷地發送自身的星歷參數和時間信息，用戶接收到這些信息后，利用測距后方交會原理，計算出接收機的三維坐標、運動速度和時間等信息，從而進行起到定位和導航的作用。目前GPS系統提供的定位精度優于10m，為了得到更高的定位精度，通常采用差分GPS技術：將1臺GPS接收機安置在基準站上進行觀測，根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，并由基準站實時將這一數據發送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。差分GPS主要分為2大類：偽距差分和載波相位差分，后者的定位精度較高(可達厘米級)，通常用于高精度的測量工程和研究中。GPS衛星發射2種頻率的載波信號，即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波，這2個載波上調制有測距碼、偽隨機噪聲碼、導航信息等。GPS接收機按接受的載波頻率可分為單頻和雙頻，單頻接收機只能接收L1載波信號，雙頻接收機可以同時接收L1、L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，后者可以消除電離層對電磁波信號延遲的影響，而且通過在2個頻率上觀測可以加速整周模糊度的解算。
　　1.2測深儀工作原理
　　測深儀是一種單波束測深設備，工作原理是利用換能器在水中發出聲波，當聲波遇到障礙物而反射回換能器時，根據聲波往返的時間和所測水域中聲波傳播的速度，就可以求得障礙物與換能器之間的距離。按照使用聲波頻率的個數，可分為單頻和雙頻。單頻測深儀僅用于一般的水深測量，雙頻測深儀可以同時測量淤泥表面深度和積巖深度，從而獲得淤泥厚度，故后者還可以用于淤泥土方計算。
　　1.3GPSRTK技術在水下地形測量中的應用
　　所謂水下地形測量，就是利用測量儀器來確定水下地形點的三維坐標的過程。在“GPS+計算機(含數據處理軟件)+數字測深儀”的測量模式中，通過GPS的RTK功能(RealTimeKinematic，即實時載波相位差分技術，是實時處理兩個測點載波相位觀測量的差分方法)獲得水面點的平面坐標及高程，通過測深儀獲得該點處的水深，最終解算出與該點垂直對應的水下地形點的三維坐標。
　　2測量設備的選擇
　　一般來說，雙頻GPS接收機相比單頻接收機可以提供更為快速、更為精確、可靠的解算，是水下地形測量的理想選擇。比如瑞士Leica1200、美國Trimble5800、南方公司的靈銳$80等。測深儀的測深精度與測深儀的固有誤差、水深、水溫、鹽度等因素有關，主要誤差源在于深度比例誤差，因而在選擇設備時，應盡量選擇大量程、高靈敏度的測深儀。例如，中海達公司的HD系列數字測深儀，海鷹公司的SHD-13D、HY1600單頻測深儀，南方公司的SDE系列測深儀等。
　　為實時記錄數據，還需配備計算機，考慮到攜帶，選擇輕巧的掌上電腦PDA為宜，同時安裝相應的軟件，通過數據線連接GPS和測深儀，同時記錄GPS和測深數據。PDA品牌較多，價格相差較大，考慮到水下測量的實際需求，中下檔次的PDA即可。至于軟件，可以選擇中海達公司的海洋測量系列軟件，筆者所用的是科地公司自主開發的cbGPSSHCE軟件。
　　水上測量離不開船只，鑒于作業性質，宜選擇重量稍大的機動船。重一點的機動船航行起來比較穩定，可使GPS對中桿和測深儀換能器連接線保持豎直，減少由于船體傾斜帶來的誤差。而船體輕的或者人力劃的木船在航行過程中，尤其是在有風、有水流的情況下，船體搖晃劇烈，甚至測深儀都無法收到反射回來的信號，而不能測出數據，因此測量誤差太大，成果不可靠。而海上測量，由于波浪較大，一般的船只不能平穩航行，最好選用專業的測量船，而且船載儀器可以實時記錄船體不同方向的傾斜角度，故即使風浪較大船體有適當搖晃時，也能通過船體傾斜改正來得到可靠的數據。
　　3儀器參數設置
　　測量之前應對儀器進行相關參數設置，GPS除了參考站和流動站的一般設置外，還要確保流動站與PDA通信的端口處于打開狀態，并設置歷元輸出速率，一般為0.1S。測深儀需輸人吃水深度、聲速以及選擇合適的量程檔位等。吃水深度可以直接量取，而聲波在水中的傳播速度，隨海水的溫度、鹽度和水中壓強而變化。在海洋環境中，這些物理量越大，聲速也越大。常溫時海水中的聲速的典型值為1500m/s，淡水中的聲速為1450m/s。所以在使用回聲測深儀之前，應根據當時水域的物理特征對儀器聲速值加以校正。
　　在PDA中，不同的數據處理軟件參數設置也不盡相同，但大同小異。以筆者所用的cbGPSSHCE軟件為例，首先設置正確的GPS、測深儀類型及二者與PDA的通信端口，設置包括波特率、字節長度等在內的通信參數，其次選擇正確的參考橢球、坐標系等，最后還有水面至GPS天線距離、數據的記錄間距等。一般而言，1：200比例的水下地形測量中，數據記錄間距2m就能滿足，其他比例地形測量可以適當加大，但筆者建議依舊選擇2m，因為地形點越密集形成的等深線就越能真實地反映地形狀況，在形成等深線之后再按照一定的密度過濾數據即可。這樣既可以繪制更加接近真實狀況的等深線，又能避免過分密集的數據點。
　　4數據檢核
　　為保證測量成果可靠，施測前后需進行GPS和測深儀的數據檢查。對于GPS，可用流動站對已知點測量，與已知坐標比較，滿足精度要求即可。對于測深儀，需用測繩實地量取水深，與測深儀面板顯示的深度比較即可。
　　此外，在不同時段對同一水域進行重復測量，比較鄰近測點的高程，如果相差不大則說明在測量過程中始終保持同樣的測量精度，也說明期間測量作業是正常進行的，沒有意外發生。也可用常規方法對測量成果進行檢核，比如用全站儀。全站儀架設在岸上，司尺員乘船到水中立鏡桿，桿高不夠時，可用測繩協助。成圖后比較鄰近點高程即可。
　　數據檢核通常采取多種方法相結合的方式，從而確保了測量數據的準確性，增強了測量成果的可靠度。
　　5測量過程中的注意事項
　　測量過程中，GPS流動站要保持RTK的固定解，因此流動站和參考站可以跟蹤到相同的衛星必須4顆以上。在有遮擋物影響信號接受，或其他信號干擾時，可以通過升高GPS對中桿，調高參考站電臺發射功率等方式增強信號，如果可跟蹤到的衛星數量仍然不足，就只好在其他時段對該區域進行重復測量，因為不同時段衛星分布不同。甚至在必要的時候，可以用“全站儀+棱鏡”的方式對無法測到的位置進行補測，而且利用這種方式還能夠對數據作精度檢查。
　　船在航行過程中，水深一般會均勻變化，若測深儀數據起伏較大，要及時檢查，是不是哪里出了問題。例如，在有水草生長的水域中，測深儀探頭容易掛上水草或垃圾，這時測深儀數據不穩，甚至閃爍不停，應該及時清理掉這些阻攔物。另外，為了設備及人員的安全，注意水域的深度，在水淺的地方需慢行，以免船只擱淺或者探頭撞到水底硬物。
　　測量過程中，由于在水上航行，尤其水域較大時，沒有什么明顯的參照物，很難憑肉眼控制船的航行軌跡，而PDA上的數據記錄軟件可實時顯示船體的航行位置及軌跡，故可憑此控制船體航行軌跡，在地勢變化小、相對平坦的地方，適當放寬測量線路的間距，反之，需加密測量線路。這有利于使測點均勻布于整個測區，同時在測區地形變化復雜的地區能有足夠數據反映水下地形的真實面貌。
　　在PDA數據記錄軟件上，可以顯示水面高程、水深、固定解衛星數、平面坐標等即時數據，留意這些數據的變化規律，在出現異常時才能及時發現問題，并采取相應措施。比如在死水域中，水面高程始終是在某固定值附近變動，若脫離該值則測量過程可能發生了差錯，比如GPS對中桿傾斜或者下滑。
　　6工程實例
　　筆者所在單位承接過許多水下地形測量任務，均采用“GPS+計算機(含數據處理軟件)+數字測深儀”的測量模式，圓滿完成了任務。現結合某水庫水下地形測量，簡要介紹該模式在工程實踐中的應用。
　　外業數據采集完成后，將數據從PDA傳到電腦上，然后通過WaterDataHandle軟件將其轉換為文本文件，摘錄部分數據如表1。
　　此文本文件中，第1列為x坐標，其次為y坐標、水面高程、水深，最后的“4”表示PDA通過4號端口接受GPS實時數據。測量過程中，平面坐標采用深圳獨立坐標系，高程系統為1956年黃海高程系統。
　　將上述數據的第3列與第4列相減，便得到平面坐標及與該坐標對應的水下地形點高程，從而獲得水下地形點的三維坐標，導入專業的繪圖軟件即可成圖。
　　在測量期間水庫水位變化微小，可認為固定值，而上述測量數據也包含水面高程，測得水面高程值是隨機現象，進行概率統計。最大值：23.773m，最小值：23.488m，平均值：23.6705m，標準差：0.0457m，上管制線(+3a)：23.8077m，下管制線(一3a)：23.5333m，樣本量：6829個。概率分布如圖1。
　　從上面的圖表數據可知，6829個測量數據中，水面高程值近似符合正態分布函數N(23.6705，0.04572)，其中誤差為0.045m。為進一步檢核，用全站儀對水面高程多次測量，取其平均值得23.682m，與上述測量數據平均值(23.6705m)基本吻合。
　　同時用全站儀對部分水下地形檢查，共測得350個數據，按照等深線插值計算，結果表明，高程值相差最大為0.25m，最小為0.02m，平均值為0.12m.80%的數據高程差值在0.11m內，滿足《工程測量規范》和《水電水利工程施工測量規范》中對水下地形測量的精度要求。從上述數據檢核結果看來，“GPS+計算機(含數據處理軟件)+數字測深儀”的測量成果能夠滿足相關測量規范中的精度要求，是水下地形測量的可靠手段。