高精度水深测量水位改正方法研究

高精度水深测量水位改正方法研究摘要：在分析水位观测方法和潮位模型缺陷的基础上，给出了GPS实时潮位改正的测量方法。基于GPSRTK动态定位技术，水位改正对测深数据的影响进行了分析，提出提高GPS-RTK实时潮位测量精度的方法。将这些研究成果应用到连云港新建徐圩航道的回淤观测工程中，观测结果表明GPS无验潮测量方法相对传统的潮位改正测量方法在实施的简便性、精度等方面具有较大的优越性。关键词：GPSRTK无验潮测量；姿态改正；垂直基准转换；动态吃水概述对于航道回淤研究分析和岸滩冲淤分析，水深测量是一项有效的观测手段，通过对测区不同时期的水深变化来反映开挖航道的淤积和岸滩冲淤情况。而水深测量的水位改正的精度对于确保水深测量精度十分重要。现有的水位改正主要分传统的潮位站改正及GPS-RTK无验潮实时潮位改正。在传统的海图测量中，测量船处潮位通常是利用验潮站的观测潮位通过潮位模型推算得到。在小比例尺海图、狭长航道和锚地测量中，由于测量水域距岸边潮位站的距离较远，一般通过在测区附近抛设验潮仪，再采取分带内插的方式获得[1-4]。GPS-RTK载波相位差分测量技术已能在动态情况下实时提供厘米级垂直定位。这为GPSRTK无验潮测量提供了可能。它能够准确地给出船位处实时潮位的真实变化，有效地克服了传统方法的局限[3]，大大减少了潮位模型误差对水下地形测量的影响。由于原理上的完备性，GPS潮位测量的精度通常高于传统潮位测量的精度，因而也受到广大海道测量部门的高度重视[3]。本文就海洋测量中水位的采集、水位改正方法、实际工程中的应用情况、测深误差来源及提高测深精度采取措施等方面进行探讨。水位观测方法水深测量的潮位改正需要收集施测作业当时的潮位数据，现今的潮位资料收集方式主要有：近岸潮位观测、GPS验潮、外海潮位仪三种。2.1近岸潮位观测近岸潮位观测站布设于测区邻近港口或较不受波浪影响的岸边地区，要求水尺底部需低于最低低潮位面且稳固，较长期的潮位观测则常需设测井采用自记水位计连续观测，其优点潮位观测站的数据可靠，数据连续，基面关系清晰。2.2GPS验潮GPS验潮是基面GPS-RTK技术的发展，可以分为静态与动态验潮，较常用的是动态实时潮位改正。利用GPS进行无验潮模式的水深量测，省略了潮位观测步骤，减少了野外工作量；由于直接得到海底点高程，因而也减少了内业水深量测数据潮位改正后处理的工作量，相对传统作业方式，该方法可以说是一项很大的变革。但受海况条件的限制，以及GPS讯号接收遮蔽问题及无线电传输路径等之限制，对于海上作业，无验潮模式的水下地形测量要受电台作业距离的限制，一般作用半径不超过20公里。2.3外海潮位仪外海潮位仪往往应用于近岸潮位观测站无法控制测量区域瞬时水位时，采用增设临时水位站。在距离陆地较远的海上地区，潮位数据的收集主要采用自容式压力式潮位仪。要确保仪器在恶劣海况下可以正常运作，又要考虑是否会因为人为因素使得仪器的布放位置产生变化而无法回收或影响数据准确度，所以外海仪器置放及维护的成本较岸边置放仪器为高。且外海布放仪器损耗较大，人员出海布放或检视需视天候许可，维护困难，故外海潮位仪器的点位密度与分布范围无法与陆上与近海相比，也造成外海实时潮位资料的缺乏。受临时潮位站观测时间段短等缺点，虽可采用同步改正法、潮差比法、最小二乘潮位法模式及方法来进行邻近测区长期验潮站测深基准面之传递，以获致较为精准的临时点基准面资料，但难以满足精度要求。水位改正方法对比3.1传统的水位改正传统的水深测量必须同时观测潮高，并利用瞬时水面作为媒介，将岸测潮高引算至测船施测位置，以进行潮汐改正，进而得到与岸测潮高位于同一高程基准之水深值。但由于测船施测位置的潮高，会与岸测潮高间存有不一致，其将直接影响到水深测量成果的正确性。水位改正的方法较多，在水运工程水深测量中，大部分采用分带法。分带方法一般可分3种：单站分带水位改正；双站分带水位改正；三角(三站)分带改正。水位分带改正法是基于假定两个水位站之间的水面是一个倾斜的水平面，这就有可能按直线内插的方法，求取水深点的水位改正数，按照同样的假定，还将这个方法延伸应用于三站之间的分带改正[5]。测区较大水域有必要采用加权系数平均值计算法确定测深点的水位改正值。加权系数平均值的计算理论依据是水深测点的瞬时水位与其测区内潮波同相的各水位站的水位是呈相关关系，即各站间潮时和潮高变化与距离成正比[6]。3.2RTK-GPS实时潮位改正无验潮实时潮位改正的的其工作原理是在基准站安置一台GPS接收机，对所有可用GPS卫星进行连续性观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给流动观测站。在用户端，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据相对定位的原理，实时的计算并显示用户观测站的三维坐标。结合GPS天线在船体坐标系VFS下的坐标、海面相对VFS原点的垂直距离，获得瞬时海面高程，最终获得在实时潮位。水深测量误差来源及提高精度的措施4.1水面高程传递误差海洋测量海底的高程获得是依靠水面进行传递。在高程传递的过程中，需进行潮位站水尺零点的测定、潮位观测、潮位改正过程。以下逐一展开讨论：（1）潮位站水尺零点的测定误差潮位站水尺零点的精度直接关系潮汐观测的准确度，其测定是通过水准测量的方法测定。在水准测量过程中基准点、仪器、水准尺、观测过程、标石下沉因素会带来误差，从而给水尺零点高程式带来误差。（2）潮位观测误差潮位观测方法主要有水尺观测法、验潮井观测法和传感器式水位计观测法。本次抄录长期观测站的潮位资料是采用验潮井观测法观测的。它是在特制的竖井中引入海水，保持井内外水压平衡，在井中设置浮子，由浮子带动记录滚筒转动从而记录水面高程变化。在井与海水连通环节上设置了阻尼设备，这样在一定程度上消除了波浪的影响，提高了水位判读精度，同时也会引起水位的滞后和压缩。（3）潮位改正误差由于潮位改正数学模型是将验潮站之间的海面及潮位基准面作为直线来处理，仅适用于潮差均匀变化且测点恰好位于两验潮站连线上的情况，局部水域潮位的变化规律与潮位站间水位的变化规律不一致且实际情况是海面为不规则的曲面采用此方法，会带来潮位内插的误差。为了提高监测的精度，在工程实施中着重做好GPS高程的转换。GPS高程是确定潮位的重要参数，其精度直接影响着最终潮位测量成果的精度，因此，在确定潮位之前，需要在已知的控制点上校核，对GPS平面及高程进行质量控制。其次在监测过程中必须监控定位系统的定位模式，一旦失锁，必须重新初始化，确保RTK的模式为固定解。由于风浪的作用船体会发生横摇roll、纵摇pitch以及起伏heave变化。这些变化改变了GPS天线在理想船体坐标系VFS下的坐标，为了获得瞬时海面高程，必须进行姿态改正[7]。姿态改正的主要作用：一是根据GPS天线处的瞬时测量高程获取瞬时海面高程；二是补偿船体姿态变化给潮位测量带来的影响。GPS测量基于WGS84椭球面的大地高，而潮位多用基于理论深度基准面的海图高程表示。因此需把大地高转换为海图高。因此，要实现WGS84椭球面与海图理论深度基准面之间的转换需要通过两步来实现[8]。第一步是高程基准面从椭球面到似大地水准面之间的转换，即大地高向正常高转换；第二步是高程基准面从似大地水准面向理论深度深度基准面的转换，即正常高向海图高的转换。5.3观测成果以某测次徐圩航道中心线观测资料为例，实施现场观测条件较为理想，观测时通过海洋站同步观测波浪资料，最大浪高28cm,平均波高为11cm。根据GPSRTK数据获得的瞬时海面高程按1分钟的平均值作为实时潮位，并与用供油站、徐圩海洋站、车牛山潮位站改正得到的潮位进行比较，潮位站及RTK基准站站位图如图4，比较结果如图5。若以潮位模型内插潮位为参考，则GPSRTK潮位的最大偏差为0．18m，最小为0m，均方根为0.09m。这些参数表明，在18km航槽范围内GPSRTK潮位和潮位站内插潮位具有很好的一致性。图5有验潮潮位模型改正与GPS-RTK实时潮位修正值比较该先导试挖（徐圩航道浚挖至-8m）工程于2010年5月30日交工验收，交工后长达4个月的对徐圩航道回淤观测里，采用无验潮和有验潮多站改正的测量方法进行了3次大规模的徐圩航道水下地形及固定断面测量。通过成果对比结论：总体对比来说，两种测量方法水深互差平均值为0.07米，第1次和第3次互差均小于15cm，具有较好的对比性。5.4提高测深精度的措施根据上述水深测量误差的来源，可以提高测深及定位等精度的措施来提高测深精度。下面着重讨论提高RTK测高精度的措施。（1）RTK的作用距离RTK技术当前的测量精度（RMS）平面10mm+2ppm；高程20mm+2ppm。受RTK数据链的传播限制和定位精度要求，RTK测量一般不超过10km。在GPS接收机的性能要求方面必须选择RTK型双频接收机；其次选择电台性能要好，传送距离要远，能正确无误的将基准站的数据发送到流动站。在满足精度的前提下，可以采用中继站进行中转差分信号。（2）基准站架设为了保证RTK测高的精度，必须严格选择性能优的基准站。因为基准站接收机每次卫星信号失锁将会影响网络内所有流动站的正常工作。其次选择基准站的站位也十分重要，选择视野开阔，截止高度角应超过15；周围无信号反射物；尽量设置于相对制高点上，以方便播发差分改正信号；远离微波塔、通信塔等大型电磁发射源200米外，要远离高压输电线路、通讯线路50米外。（3）流动站测量为了检验当前站RTK作业的正确性，必须检查一点以上的已知控制点，，当检核在设计限差要求范围内时，方可开始RTK测量。在RTK测量水下地形时，利用确定的动态吃水与船速的关系，为了保持数据链的连续，应尽量保持稳定的姿态测量船匀速，不出现显著的加速度。（4）观测条件船姿对测深及平面定位精度的影响较大，必须尽量避免在风浪中进行测量，特别是深水作业时特别注意船舶姿态对测量的影响。另一方面，开发研制对测量船航行时姿态的实时同步记录系统（如在各个航迹点的船舶纵向、横向摇摆变化）通过建立模型，对所测量的深度、平面位置轨迹进行修正。结语本文结合水位的观测方法及其改正对水深测量的影响进行了分析，通过对水位改正这一重要环节的讨论提出有助提高水深测量的精度的措施。通过工程实例连云港徐圩航道回淤研究水下地形监测中采用无验潮与有验潮相结合的办法，发挥各自的优势，提高对测深的精度，满足回淤观测研究的需要。有验潮水位改正的优点体现在固定长期验潮站水尺零点固定，基面关系清晰，潮高资料具有很好的连续性。无验潮水位改正的优点体现在速度快、动态水位能够消除船体上下起伏带来的测深误差，大大提高水深测量精度。相对传统的测量方法，该法具有方便、快捷和简单等特点，具有很强的可操作性和可行性。PAGEPAGE7参考文献：[1]赵建虎，刘经南，周丰年．GPS测定船体姿态方法研究[J]．武汉测绘科技大学学报，2000，25(4)，353—357．[2]赵建虎，周丰年，张红梅．船载GPS水位测量方法研究[J]．测绘通报，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]《水运工程测量手册》编写组．水运工程测量手册[M1．北京：人民交通出版社，2001．[6]黎学宇，水深测量中水位数据处理方法及程序开发[J]．水运工程，2009：155[7]IvesDC，ZachafiasRM．Conformalmappingandorthogonaldgeneration[C]／／InAIAA／SAE／ASM