关于GNSS的水下地形测量.docx

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关于GNSS的水下地形测量

本科毕业论文

GNSS配合测深仪在水下地形图测绘中的应用

刘吉羽

200831080112

指导教师

林观土副教授

学院名称

信息学院

专业名称

测绘工程

论文提交日期

2012年5月4日

论文答辩日期

2012年5月19日

摘要

GPS-RTK技术定位速度快、精度高、实时的特点,给GPS-RTK在水下地形测量中的应用提供了良好的基础,可以快速、准确地进行水下地形测量。

本文首先对水下地形测绘的发展状况，我国测深技术的发展历程和测深的意义进行了介绍，叙述了GPS导航定位的基本原理和方法，介绍了GPS定位技术的原理以及工作组成部分，测深仪的工作原理，以及GPS、测深仪组合系统和全站仪、测深仪组合系统在水下地形测量中的原理、工作方法和注意事项，并提出了实地测深时应注意的问题。

本文还扼要的介绍了测深技术在水下地形测量中的误差来源，分析了其影响水深测量精度的因素，简要的提出了测深误差的改正。

鉴于高精度全站仪在水下地形测绘中，精度相对RTK较高。

本文利用改正后30个点的GPS-RTK的深度观测值与相同位置全站仪深度观测值对比，利用南方CASS软件计算面积为14523.84m2的固定区域内GPS-RTK观测值的库容，并将其与相同区域内全站仪观测值的库容对比，研究GPS-RTK在水下测量中的应用价值。

实验表明，利用GPS-RTK配合测深仪进行水下地形测量，与传统的测量方式相比，具有较大的优势，特别是在面积较大，水下地形复杂，水深较大的水域，RTK水下地形测量简单、方便、快速、高效、可以全天候作业、同时大大提高了水深的测量精度。

关键词:

GPS-RTK全站仪水下地形测量精度

GNSScombinedwithDepthSounderApplicationofUnderwaterTopographySurveyingandMapping

LiuJiyu

（CollegeofInformatics,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China）

Abstract:

GPS-RTKtechnicalpositioningcharacteristicsofhighspeed,highprecision,real-time,toGPS-RTKintheapplicationofunderwatertopographicsurveyprovidedagoodbasisandyoucanquicklyandaccuratelytounderwatertopographicsurvey.

Thethesiselaboratesthedevelopmentsituationofmarinesurveyingandmappingandtheprogressandsignificanceofsoundingtechnologyathome.ThenthethesissystematicallydiscussthebasicprincipleandmethodsofGPSNavigationandPositioning,theprincipleandcomponentsofGPS,theprincipleofEchoSounderandGPS+EchoSounder,totalstation+EchoSounderinunderwatertopographicsurvey,andproblemswhensounding.

Thisthesisbrieflydescribestheresourcesoferrorsofsoundingtechnologyinunderwatertopographicsurvey,analysisofthefactorsinfluencingtheaccuracyofbathymetricsurvey,brieflyraisedtheerrorcorrectionofsounding.Becauseofthehigherprecisionofthetotalstationinstrumentintheunderwatertopography,thisarticleuses30pointsaftercorrectionofdepthobservationsofGPS-RTKwiththesamecomparativepositiondepthoftotalstationobservations,useCASSsoftwaretogettheobservedvalueofcapacityusingGPS-RTKwithinafixedareaofthe14523.84m2andcomparedthesameareacapacityoftotalstationobservations,studyontheapplicationvalueofmeasurementofGPS-RTKunderwatertopographicsurvey.

ExperimentsshowthattheuseofGPS-RTKtounderwatertopographicsurveycombinedwithEchosounder,comparedwithtraditionalmethodsofmeasurement,haslargeradvantage,especiallyinlarge,complexunderwaterterrain.GPS-RTKunderwatertopographicsurveyissimple,easy,fast,efficientandround-the-clockoperations,whilesignificantlyimprovingtheprecisionofthemeasurementofwaterdepth.

Keywords：

GPS-RTKtotalstationunderwatertopographicaccuracy

目录

1绪论1

1.1引言1

1.2水下地形测量发展状况1

1.2.1水下地形测量的内容2

1.2.2我国水下地形测量技术手段的发展状况3

1.3测深的意义6

1.3.1测深在河道、水库测量中的应用6

1.3.2测深在海洋工程中的应用6

1.3.3测深在水底资源调查中的应用6

1.3.4测深在军事领域中的应用7

1.3.5测深在考古领域中的应用7

1.4本文研究的目的及主要内容7

2全站仪技术、GNSS技术和测深技术的测量原理8

2.1GPS定位原理及特点8

2.2GPS-RTK工作原理10

2.3测深仪的基本工作原理11

2.4GPS配合测深仪组合系统工作原理13

2.5全站仪配合测深仪组合系统工作原理14

3GPS-RTK与全站仪配合测深仪观测水下地形作业工程实例15

3.1测区概况15

3.2测前的准备15

3.2.1物资准备15

3.2.2作业准备16

3.2.3作业计划16

3.3外业数据的采集16

3.3.1GPS-RTK配合测深仪系统数据采集16

3.3.2全站仪配合测深仪系统数据采集16

3.4数据成果17

3.5实地测深时应注意的问题19

4测量方法精度分析及提高测量精度的方法20

4.1测深仪对水下地形测量的影响及改正20

4.1.1波束角对水深测量的影响20

4.1.2换能器动态吃水改正

21

4.1.3误差改正处理后数据成果22

5结论与前景预测25

5.1结论与探讨25

5.2前景预测25

参考文献27

附录28

致谢30

成绩评定表31

1绪论

1.1引言

21世纪是海洋世纪，把我国建设成为世界级的海洋强国是新世纪我国海洋中长期发展规划的总目标，是时代赋予我们的历史使命。

统筹规划海洋的开发和整治，加强海岸带的综合开发和管理，合理利用海洋资源，促进海洋产业协调发展，推动沿海地区的进一步繁荣和发展对于我国的可持续发展极为重要。

认识开发利用海洋和保护海洋许多国家积极推动海洋技术的发展，能够大力提高我国在海洋技术领域的国际竞争能力。

我国经济今后将持续增长，人口也将不断增加，这样资源的需求量和消费量会大幅度增长。

限于陆上资源的种类和数量的有限性，我们就必须在发展科技、综合合理利用陆上资源的同时，不断开拓资源的新领域和新资源，把人们经济活动范围扩大到占地球表面积70．8％的海洋中去，使那里的各种资源能够为人类和我国的发展发挥出更大的作用。

因此，海洋的战略意义越来越明显，人类向海洋进军的步伐已在加快。

然而，人类对海洋的认识特别是海洋深处的环境、资源等的情况却知之甚少，人类对于海洋的探测技术和探测手段的发展也落后于其它科学领域的发展。

改革开放以来，我国海洋经济取得了飞速发展，海洋技术有了极大提升，海洋产业发展前景十分看好。

随着现代科技的发展，在测绘行业中，现代海洋测绘也占有越来越重要的地位。

根据海洋强国战略的要求，测绘范围也从近岸向公海延伸，覆盖中国近海全部海域。

其中包括中国内海、领海、专属经济区和大陆架，以及公海的特定海域。

在测量技术方面，GPS、RS、LIDAR（机载激光测深）、MES（舰载多波束）、GIS为一体动态探测继承技术以及仿生技术的不断发展，使得海洋测绘日益简便快速，同时促使我国经济更加和谐持续的发展（原大为等，2005）。

1.2水下地形测量发展状况

水下地形测量主要应用于海洋测绘方面，水下地形测绘作为测绘领域的分支，其发展同其它相关领域的发展密不可分，但在自身独特的测绘环境中又逐步形成自己的发展体系。

从40年代开始，在海洋测绘中已经开始试验应用航空摄影技术。

50年代，海洋测绘在应用新技术和扩大研究内容方面又取得了重大的进展。

测深方面，除了使用单一波束的回声测深仪外，已开始使用侧扫声呐和多波束测深系统，海洋遥感测深也取得初步成功。

定位手段，由采用光学仪器发展到广泛应用电子定位仪器。

定位精度由几千米、几百米提高到几十米、几米。

测量数据的处理已经采用电子计算机。

70年代以来，各主要临海国家已有计划地利用空间技术进行海洋大地测量和各种海洋物理场的测量（如海洋磁力测量）。

特别是应用卫星测高技术对海洋大地水准面、重力异常、海洋环流、海洋潮汐等问题进行了比较详细的探测和研究。

在海图成图过程中已广泛采用自动坐标仪定位、电子分色扫描、静电复印和计算机辅助制图等技术。

海洋测量工作已从测量航海要素为主，发展到测量各种专题要素的信息和建立海底地形模型的全部信息。

为此建造的大型综合测量船可以同时获得水深、底质、重力、磁力、水文、气象等资料。

综合性的自动化测量设备也有所发展。

例如1978年美国研制的960型海底绘图系统,就能够搜集高分辨率的测深数据，探明沉船、坠落飞机等水下障碍物，以及底质和浅层剖面数据等，并可同时进行海底绘图和水深测量、海底浅层剖面测量。

海图编制除普通航海图的内容更加完善外，还编制出各种专用航海图（如罗兰海图、台卡海图）、海底地形图、各种海洋专题图（如海底底质图、海洋重力图、海洋磁力图、海洋水文图），以及各种海洋图集（黄谟涛等，2002）。

从80年代以来，数字海图数据库从无到有，发展异常迅速，随着电子计算机与数据库技术的发展，各国的数据库纷纷建成并得到完善。

美国国家海洋局建立了美国近海、专属经济区及其他领地的海道测量数据库；英国建立了全球海域的光栅海图数据库；日本计划在10年内建立本国出版的1000幅航海图的数据库。

德国ATLAS公司代表的SUSY-30FE/16测绘系统将电磁波测距技术同计算机技术结合，实现了野外数据采集、成图和工程量计算的自动化和智能化，开创了测量内、外业一体化、自动化的先河。

但全球各国海图数据库的发展很不平衡，还有许多海域没有开始此项工作，预计21世纪中才有可能建成覆盖世界各主要航道的海图数据库。

我国建立海洋测绘数据库的工作正在进行，并准备与国际接轨，建立满足实际需要的国家海图数据库中心（黄谟涛等，2007）。

1.2.1水下地形测量的内容

水下地形测绘源于陆地测量，其任务可划分为科学性任务和生产性任务。

科学性任务主要是满足科研需求而进行的，如地球形状，海底地址的构造运动、大地水准面的确定以及水域环境和海、河道演变分析等方面的研究。

生产性任务是为满足实际工程需要而进行的水下测量工作，主要包括航海、航运、渔业、海洋工程、海上划界等生产项目。

水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。

传统的水下地形图测量方法是：

定位测量采用经纬仪交会法、经纬仪配合测距仪极坐标法、全站仪方式等获得平面坐标；测深利用测深杆法、测量锤法和回声测深仪等获得该平面位置处的水深，从而推算出该位置的水下高程。

随着全球定位系统GPS技术的日益成熟，尤其RTK实时动态定位系统以其高精度、高效率、易操作的特点广泛应用于各种测量和放样，使用GPS-RTK技术进行水下地形测量就比较方便、快捷了。

1.2.2我国水下地形测量技术手段的发展状况

海洋测量作为测绘科学研究的一个重要组成部分，它的主要任务是对海洋集合场合物理场参数进行精密测定和描述，其目的是为人类的活动提供必要的海洋空间信息。

最近十几年，随着计算机技术和信息获取手段的改进和发展，海洋测量学科也发生了深刻的边划，继过去单一的海道测量学之后，相继出现了相对独立的海洋控制测量学、海洋工程测量学、海底地形测量学、海洋重力测量学、海洋磁力测量学以及海洋界面测量学等。

机载激光测深、多波束测深以及侧扫声纳系统等一批具有全覆盖、高效率和高精度特点的高新技术测量设备的出现，已经使海洋测量从过去的点线测量模式转变为带状测量模式。

海洋测量正在突破传统的时空局限，进入以数字测量为主体、以计算机技术为支持、以3S技术为代表的现代海洋测量新阶段。

中国海洋测量技术在多个研究与应用领域的发展主要经过以下几个阶段：

原始测量、常规水下测量、多波束全覆盖测量、机载激光测深等。

原始测量阶段

采用竹竿测量水深。

这是将标有分划的竹竿（测杆），直接插入水底量测水深的方法。

由于其劳动强度大并受使用测杆长度的限制，一般只适宜于测5m以内的浅水，水域的流速也不得大于1m/s，水深流急之处测杆很难固定在水中，所以是无法用测杆施测的。

竹竿测量的精度比较高，一般均能满足规范规定的±0.1m—±0.2m之要求。

这种原始测量水深的方法虽然简单落后，却是浅水区测深精度最高的方法。

砣测（或绳深）。

这是在测绳下端牢系测深锤，将它投入水中，根据测绳的入水长度测得水深的方法，但其劳动强度大且也不适于水深流急之处。

因为在流速大的水域，测绳会从中漂移，所测得水深值偏大，故一般只适于流速小于lm/s、水深小于15m的测区使用。

以往在深水急流中测深是用测深铅鱼安装在测船的绞绳下进行，但该法既笨重又难操作，还要作测深绞绳的偏角改正等计算工作，所以现已基本淘汰，由回声测深仪取而代之。

常规水下测量阶段

采用回声测深仪测量水深使得水下地形测量进入了新时代，从此便有了测深的连续记录。

回声测深仪的工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离。

但测深仪的不足之处是：

它们是单波束，这样在有些网格之间就没有水深数据，靠此数据网格所形成的水下地形图可能会影响航行安全，有可能将礁石以及其他影响航行安全的障碍物漏测掉而导致事故。

同时，单波束的测深仪器测量范围小，速度慢效率低，对大面积的水深测量尤其是航道、海底全覆盖测量来讲，已不能满足要求。

多波束全覆盖测量阶段

多波束测深是一种具有高效率、高精度和高分辨率的水下地形测量新技术，自20世纪70年代问世以来，特别是最近十几年，在高性能计算机、高精度定位和各种精密数字化传感器以及其他相关高新技术的介入和支持下，代表当代水下地形地貌勘测最新研究成就的多波束测深技术不断变革，获得了极大的发展。

与传统的单波束测深仪相比较，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度高、记录数字化以及成图自动化等诸多优点，它把测深技术从原先的点线状扩展到面状，并进一步发展到立体测图和自动成图，从而使水底地形测量技术发展到一个较高的水平（HuangMotao等，2004）。

我国从20世纪90年代开始陆续从国外引进多套多波束测深系统，分别应用于海道测量、海洋工程测量、海洋划界测量、海洋资源调查、港口维护、地质灾害监测以及水下考古等多个领域，在国民经济建设中发挥了重要作用。

实际上，我国早在20世纪80年代中期就开始致力于多波束测深系统的研制与开发工作，由于资金和某些技术上的原因，当时只研制出了一套系统样机，进行了一些必要的原理性试验。

直到20世纪90年代初期，我国才开始投资研制实用型多波束测深系统，一种称之为H/HCS-017型多波束测深系统已于1997年研制成功，并于次年投入使用。

该系统主要由换能器阵、发射子系统、接受子系统、海底检测单元以及数据传送单元几大部分组成。

系统的工作频率为45KHz，具有48个波束，波束角为2″×3″，其测深范围为10~1000m，扇区开角为120°，测深覆盖范围最大可达4倍水深。

H/HCS-017系统测深精度满足当前IHO标准。

该系统的研制成功，标志着我国海道测量技术装备水平已达到一定的高度。

根据当代海洋测量技术发展的需要，国际海道测量组织（IHO）在1994年9月的摩纳哥会议上制定出了新的海道测量标准，即IHOS-44标准，并规定在高级别的水深测量中必须使用多波束全覆盖测量技术（丁继胜等，1999）。

随着多波束测深技术应用范围的不断深入和扩展，其独特的高效率测量方式已经被越来越多的使用者所认识，人们对这种测深技术的要求也越来越高。

为了满足这种需求，多波束测深设备生产厂家正致力于全海深测量技术、高精度测量技术、集成化与模块化技术以及高分辨率测量技术的开发与应用研究。

可以预见，在未来一段时间内，多波束测深系统将主要在仪器结构和性能两个方面求的突破和发展。

在仪器结构方面，将向更小的体积和重量、更高的集成度以及更具灵活性的安装和维修方向发展；在仪器性能方面，将向更完备的功能、更高的侧脸精度以及更加简便的操作使用方向发展。

但需要强调指出的是，多波束测深技术经过二十多年特别是最近几年的飞速发展，其仪器设备不论是结构设计还是观测精度，都已经达到相当成熟和相对稳定的阶段，不同类型仪器之间的性能差异也越来越小，目前在国际市场上，几乎所有的商用多波束测深系统的观测精度都能达到甚至超过IHOS-44标准。

在多波束测深数据如何实施有效的处理和管理，是当前特别值得重视和急特研究解决的主要问题。

因此，设计开发能够采集各种多波束原始数据的通用接口，并在此基础上开发出规范化的多波束数据后处理软件，已经成为多波束技术产业发展的必然要求（黄谟涛等，2000）。

机载激光测深技术阶段

将激光技术应用于海道测量最早是由澳大利亚国防科学技术机构于20世纪70年代至80年代间提出来的，这一工作开辟了海道测量技术的一个新领域，即机载激光测深。

由于它的灵活机动性、高效率以及管理和使用上的方便性，这一新技术被认为是当今快速完成浅水测深最具发展潜力的手段之一。

我国在20世纪80年代中期就进行过机载激光测深原理性试验，但直到90年代中期才进入实质性研制阶段。

2001年，“机载海洋测深系统”在上海研制成功，这一系统主要由激光测深子系统、动态定位子系统、数据采集与控制子系统、地面数据分析和处理子系统以及飞行保障子系统等五大部分组成。

作为浅水海道测量技术的一种补充手段，机载海洋测深系统将与传统的声学方法结合使用，我们将在未来的实践中通过不断积累经验来寻求它们之间的最佳结合方式。

目前，中国科学家正致力于提高激光器发射频率和最浅测深能力的研究工作，力争使激光器重复频率提高到1000Hz，最浅测深能力提高到0.5m。

机载海洋测深系统的推广和应用，标志着我国在未来将更加重视航空遥感测量技术在海洋测量领域的应用和发展（黄谟涛等，2003）。

纵观我国的海洋测绘技术的发展，在常规海洋测绘作业，管理与航海保证方面和海洋测绘理论、应用研究方面与发达国家水平相当。

但目前有些测量手段、成图技术和数据传输等方面还比较手段落后，有的还采用人工描绘，配套的仪器设备和人员配置不能满足快速测量的要求，甚至部分地局难以自行完成应急测量工作。

测量设施和技术手段与航道维护工作距现代化、网络化管理的要求有一定差距。

相信通过现代测绘人的不断努力研究，一定可以取得更好的发展。

1.3测深的意义

随着人类对海洋的开发和利用，人类的活动也越来越离不开海洋，而测深对海洋各个领域的研究起着至关重要的作用，因此，测深对人类在海洋中的活动作用也越来越显得突出。

1.3.1测深在河道、水库测量中的应用

水下地形测量在航道、港口、水利、资源等领域拥有越来越广泛的应用。

在河道整治和航运方面，为了保证船只安全行驶，用以了解河底地形，查明河中的浅滩、沙洲、暗礁、沉船、沉树等影响船只安全行驶的障碍物；在港口码头建设方面，为了在建港地区进行疏浚工作及停泊轮船而要修建码头，需要进行水下地形测量，作为其设计和施工的依据；在水利工程建设方面，利用水下地形测量资料，可以确定河流梯级开发方案、选择坝址、确定水头高度、推算回水曲线；在桥梁工程建设方面，用以研究河床冲刷情况，决定桥墩的类型和基础深度，布置桥梁孔径等；在科学研究方面，通过水下地形测量和有关河道纵、横断面测量，可以研究河床演变及水工建筑前、后的水文形态变化规律，监视水工建筑物的安全运营，观测水库的淤积情况（许家琨等，2004）。

1.3.2测深在海洋工程中的应用

因为港口、海上石油平台、海底管线、油田井场、锚地等工程建设的基础在海底、铺设海底电缆需要在海底挖沟，并对铺设好的电缆进行掩埋和质量检查、这需要测深技术对海底地形进行细致的勘查，对施工作业区进行全覆盖测量，实时显示海下地形情况，更精确，更直观的提供基础图件和数据，获得高质量的海底地形信息，决定管线的铺设走向，航道的选择及港口治理，判断此海域是否可以作为锚地使用，还可以利用测深技术测定枯水期则因为水动力的影响又产生冲刷现象，不定期或定期地对固定海域进行测量，从而分析确定海底的冲淤变化规律，决定海洋工程的设计等（许文彬，2008）。

1.3.3测深在水底资源调查中的应用

寻找海底矿物是海底资源调查的重要内容，海底矿物的形成有其独有的机理，例如稀有金属锰结核都分布在大洋深处平坦海域，钻结核则是因海底火山喷发而形成。

为了寻找潜在矿区，必须首先获取相关信息，这就需要对海底地形进行高分辨的测量，利用测深技术可对海底沙质地形、岩石地层和软泥层进行探测，测出海底不同界面反射信号的差异，判断海底悬浮淤泥，判别岩石地层等资源。

1.3.4测深在军事领域中的应用

利用测深技术，可以准确地测定水下地形，绘制水下地形三维立体图，提供直观的海底形态，获取大量的信