多波束联合RTK技术在航道测量中的应用

多波束联合RTK技术在航道测量中的应用

钟磊

广东邦鑫勘测科技股份有限公司广东广州510000

摘要：水域测量工作意义重大，文章介绍了多波束测深系统水深测量的基本原理，方法要点以及GPSRTK三维水深测量技术，接着结合工程实例，就多波束测深系统集成RTK三维水深测量技术进行了分析，实践证明综合运用RTK和多波束测深技术进行水域水深测量，可有效提高水深测量精度和工作效益。

关键词：测绘工作；测量技术；多波束探测系统；GPSRTK技术；数据处理

水下测绘工作的进行以及测绘技术的运用使得在水域的考察和测量之中，我们能够比较深入的对人类无法触及的海洋领域进行了解，进而开发出有利于人类进步和发展的海洋资源，促进人类的进步。多波速测深系统的不断更新发展以及GPSRTK技术的普及，为航道测量、设计、建设、维护，海洋资源的利用等工程提供了极大的便利。文章在介绍多波束测深系统以及RTK三维水深测量技术的基础上，结合工程实例，进一步说明多波束测量技术结合RTK技术在水深测量中的高精度、全覆盖、高分辨率和高效率的特点。

1多波束测深系统

1.1系统构成

多波束测深系统（TheMultibeamBathymetricSystem）是一个复杂的综合性系统，主要由多波束声学系统、多波束采集系统、外围辅助传感器和数据处理系统组成。其中，换能器是多波束的声学系统，负责波束的发射和接收；多波束采集系统完成波束的形成和将接收到声波信号转换为数字信号，并反算其距离或记录声波往返换能器面和海底的时间；外围设备主要包括定位传感器、姿态传感器、声速剖面仪和电罗经，实现测量船瞬时位置、姿态、船姿、声速剖面和潮位等信息，计算波束脚印的坐标和深度，并绘制海底地形图。

1.2工作原理

多波束测深系统以一定的频率发射沿航迹方向开角窄而垂直航迹方向开角宽的波束，形成一个扇形声波束传播区。多个接收波束横跨与船龙骨垂直的发射扇区，接收波束垂直船迹方向很窄，而沿航迹方向的波束宽度取决于所使用的纵摇稳定方向。单个发射波束与接收波束的交叉区域称为脚印。一个发射和接收循环通常称为一个声脉冲。一个声脉冲获得的所有脚印的覆盖宽度称为一个测幅，测幅在给定水深下对海底的覆盖宽度是噪声水平和海底反向散射强度的函数，根据各角度声波到达的时间或相位就可以分别测量出每个波束对应点的水深值。若干个测量周期组合起来就形成了一条以测量船航迹为中心线的带状水深图，因此，多波束测深系统也被称为条带测深系统。对波束i测量信号往返传播时间ti和波束角θi，考虑至声线由于声速剖面引起的折射产生的弯曲，可计算斜距ri，水深zi和水深相对于天底的位置yi，见图1。

1.3作业方法

多波束测深系统水上作业的过程包括测前试验、测前准备和数据采集3个步骤。首先进行测前试验，就是在测量前对多波束测深系统及各种外围设备进行检查、测试和校准。接下来进行实测前的准备：启动多波束主机和实时采集计算机，装入声呐参数、声速剖面文件、按照工作计划输入导航测线，量测吃水，然后进行多波束数据采集：根据已有资料估算测量起始点的水深值，启动多波束测深系统处于发射状态，实施水深测量、声速测量、潮位测量。需要注意的是每次起航前及返航后均指挥测量船在预定的测线方向上保持直线航行，做好数据记录。

1.4测深数据处理

由于多波束测深数据是在高度动态的海洋中采集的，所以仪器的噪声、海况的复杂性、多波束声呐的参数设置不合理等都会使得数据产生误差，从而使绘制的地形图与海底地形存在差异。同其它测量误差分类一样，多波束测深的误差类型也分为3种，分别是粗差、系统误差和偶然误差。系统误差是多波束测深系统主设备与辅助设备本身的误差，其中声速剖面测量误差对测深精度影响最大。目前一般通过声速改正技术来修正声速剖面测量误差。

粗差产生的原因较为复杂，目前常用的粗差判别准则有3σ准则、罗曼诺夫准则、格拉布斯准则、狄克松准则、样本分位数检验统计法等。在实际工作中，由于多波束采集的深度数据量很大，一般采用3σ准则结合其它滤波方法剔除粗大误差。

2RTK三维水深测量

经典水深测量模式采用GPS进行平面定位，测深工具为多波束或者单波束测深设备，在水深测量同时，在测区内各验潮站进行同步水位观测，并最终应用分带改正等方法将测深数据改正到深度基准面起算的水深。但是当测量水域范围超出了验潮站的有效作用范围或者因无法架设验潮站而不能获取实时验潮资料时，最终归算到深度基准面的水深数据精度将受到很大影响。

RTK三维水深测量技术的出现解决了上述问题，其进行水深测量的原理是利用RTK测得的GPS天线精确的三维坐标（X，Y，H），其中X，Y确定定位点的平面位置，RTK高程结合由测深仪同步测得的水深换算出同一平面位置上的水下泥面的高程或水深值，从而获得水下地形数据，如图2所示。

图2中：H为GPS接收机测得的高程，h为GPS天线到水面的高度，S为测深仪测得的水面到水底的深度，B为水底到水准面的距离，即水深值，C为水准面到水底的距离，即水底高程，由图2可得出计算公式为C＝（H－h）－S；B＝S－（H－h）。

因此，从理论上讲，RTK三维水深测量技术无需验潮，并且能够消除波浪、潮位和动吃水的影响，是一种理想的水深测量方法。

进行RTK三维水深测量关键要做到两点：①计算出准确的布尔莎七参数转换模型，为此要求在测区内部及周围一定要有至少4个可以控制整个测区且分布均匀的高精度控制点，并且控制点的高程应达到四等水准精度。只有满足上述要求才可以保证WGS－84到地方坐标系的平面转换精度以及GPSRTK的高程拟合精度。②为了保证RTK岸台基准站与船台流动站之间的数据链传送距离尽可能远，要求基准站尽量架设在离测深水域最近、地势较高、较开阔的控制点上，电源电量要充足，电台天线要尽量高。

3应用实例及精度分析

本文以笔者近年参加的航道疏浚维护工程航道测量项目为例，对RTK三维水深测量技术与多波束系统联合应用进行水深测量的方法、过程和达到的精度进行分析。

3.1项目简介

本航道疏浚维护工程水深测量项目共6条航道，总长近26km，扫测面积约７km2，各航道宽度80～200m、水深8～16m不等，工作内容是对上述航道进行浚前、浚后扫海测量。其目的是为满足航道设计通过能力，消除安全隐患，保证船舶安全航行。项目平面坐标采用1954年北京坐标系，深度基准为当地理论最低潮面。针对项目特点，采用了多波束测深系统与GPSRTK相结合的三维水深测量技术。用于水深测量的仪器设备见表1。

表1航道水深测量仪器设备

3.2技术方案及实施

按照水运工程测量规范要求，测区的平面坐标系统和高程基准转换采用布尔莎七参数转换模型同时进行。为此，首先在测区沿海岸布设Ｄ级GPS网，控制网完全覆盖整个测区。联测的4个C级GPS已知点分布均匀，其平面坐标为1954年北京坐标系，高程为1985国家高程基准二等水准。控制网完成后计算出准确的转换七参数，输入RTK流动站手簿，并到控制点进行检核以验证参数的精度。

测量船上多波束设备安装严格按照系统随机手册要求进行，从而保证横向、纵向及艏向安装角度符合系统安装技术要求。RTK流动站接收机天线通过连接杆安装在多波束换能器上方，尽量保持垂直于换能器，接收机还需连接到PC工作站以配合多波束系统数据采集。

每天在施测航道中线水域采用声速仪测定水下声速，每次测量两组数据，取平均值作为声速剖面最终值按照对应水深输入到多波束采集系统。

多波束系统校准选择在航道内、外兼顾有地形陡峭和平坦的海域，按照横摇偏差、纵摇偏差、艏向偏差顺序先后依次进行，每个校准项目分别进行3次测量，取3组以上数据计算校准值并输入多波束采集系统。

每次在多波束数据采集过程中，均首先沿布设测线方向匀速前进2min，待数据采集稳定后再开始正式记录。作业人员实时监控测深数据的覆盖情况和测深信号的质量，系统各配套设备的传感器运转、数据记录等情况。发现信号不稳定时，及时调整多波束发射与接收单元的参数，使波束的信号质量处于稳定状态；发现覆盖不足、水深漏空情况或测深信号质量不满足精度时，及时进行补测作业。

3.3精度评定

在进行航道主测线测深工作的同时，按照规范规定对每条航道均布设了垂直于主测线方向的检查线，各航道检查线长度比例为5%～8%。通过对全部6条航道主测线与检查线交叉区域内（图上相距1.0mm以内）重合点的水深数据进行对比统计，所有水深数据对比差值均满足水深H≤20m时深度比对互差≤0.4m的规定。详细统计情况见表2。

表2主测线与检查线重合区域测深值互差精度统计%

4结束语

综上所述，与传统的单波束测深技术相比较，多波束测深系统测量范围大、测量速度快、精度高，优势明显；RTK三维水深测量技术则无需验潮，并且能够消除波浪、潮位和动吃水的影响。多波束测量技术结合RTK技术更是具有高精度、全覆盖、高分辨率和高效率的特点，使得水深测量这项工作变得简单、快捷、高效、经济。不过若要想充分利用该技术进行生产作业，最大程度发挥其功能作用，还需要系统地分析和研究测深中影响水深测量精度若干因素，探讨减小和改正测量误差的方法，以满足实际工程的精度要求。相信随着多波束联合RTK技术更广泛的发展和应用，该联合技术在水利工程测量中所发挥的作用会越来越突出，占的地位会越来越明显。

参考文献：

[1]王风雷；卢清平.GPS-RTK技术在水深测量中的应用[J].山西建筑.2008（12）

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[3]王凤瑞.多波束测深系统在大浪淀水库水下地形测量中的应用[J].水利科技与经济.2015（01）

[4]王利锋；蒋新华；王冰；李兆均.多波束测深系统在航道测量中的关键问题探讨[J].海洋测绘.2014（05）