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基于RTK三维测深技术的航道回淤观测研究

万军, 王朝金
( 上海达华测绘有限公司, 上海 36)

摘要: 航道回淤观测基础资料一般采用有验潮的单波束测深资料, 其分析精度受到测深精度的限制, RTK三维测深技术极大的提高了测深精度。RTK三维测深关键在于依托潮位站的似大地水准面优化、 三维测深质量控制以及数据处理, 本文结合连云港区25万吨级航道回淤观测项目对RTK三维测深进行探讨, 并对航道回淤进行初步分析, 为航道回淤观测提供科学依据。
关键词: 传统水深测量 RTK三维测深 似大地水准面 回淤观测

1 前言
航道回淤观测与分析一直是一直是水运工程各界关注的焦点, 其分析一般采用固定断面法、 DEM法进行, 可是分析用基础数据一直以来都采用传统水深测量方法进行。但传统水深测量一般采用有验潮方式进行, 即先采用测深、 定位及姿态等各类设备( 传感器) 组合同步外业数据采集, 然后进行内业综合改正和绘图, 该方法受到水位站控制范围及地域分布的限制, 直接影响水深测量质量和工作效率, 已不能满足高精度回淤观测分析需求。RTK三维测深是采用RTK-DGPS三维定位获取点位、 深度, 同时可实现在航水位测量。由于原理上的完备性以及测量精度的提升, 传统水深测量已逐步被RTK三维测深所取代。[1]
2工程概况
连云港港是中西部地区最便捷的出海口, 也是牵引江苏沿海综合开发的引擎和龙头, 1月, 国家发改委批复航道项目建议书, 同意建设30万吨级航道, 航道呈”人”字形布局连接连云港区和徐圩港区, 按”一次立项、 分期实施”的原则, 先期实施一期工程。根据批复, 一期工程建设25万吨级连云港区航道和10万吨级徐圩港区航道及配套纳泥区围堤、 锚地、 导助航工程等。据中港网历史资料, 经过紧张建设, 连云港区25万吨级航道已于 12月9日正式开通使用。连云港区25万吨级航道在原有15万吨级航道基础上增深扩建而成, 航道总长52.9km, 航道宽度270m, 水深19.8m。该工程的成功建设为30万吨级航道回淤研究提供了一个宝贵的天然物理模型。为给30万吨级航道建设积累回淤方面的基础资料, 9月- 8月期间进行了4次回淤观测研究, 研究时沿航道布设了2km间隔的加长固定断面以及按1: 5000测图要求的均匀分布的观测断面( 见图2.1-1) , 同时为了确保水深测量质量布设检查线进行检测, 研究采用RTK三维测深技术进行基础数据的积累, 本文研究以第3、 4次回淤观测为例, 第3次观测时间为 4月, 第4次 7月。

图2.1-1 测线布设示意图( 局部)
3 RTK三维测深
3.1理论基础
RTK三维测深原理如图3.1-1所示, h为GPS天线到水面的高度, Z0为测深仪吃水, z为测得的水深度。Zm为绘图水深, H为RTK测得的高程, 则:
水位=H—h Zm=Z一水位=Z一(H一h) ( 式3.1-1)
当水面由于潮位或者波浪升高时, H增大, 相应地z也增加相同的值, 根据上式Zm将不变。因此从理论上讲, RTK三维测深将消除波浪和潮位的影响, 是一种理想的水上测量方法。[3]
《水运工程测量规范》JTS131- 专题研究结论为: 采用单波束的RTK三维水深测量中各种误差对平面定位综合影响一般在0.2m, 而对于垂直影响在水深小于20m时约为10cm、 水深大于等于20m时为0.010+0.1%D( D为水深) 。[4]上述研究结果证明采用RTK三维测深技术测深优于采用常规方式的在水深小于20m时约为0.2m、 水深大于等于20m时为0.01H( H为水深) 。

图3.1-1 RTK三维测深原理
3.2 测前准备
3.2.1 GPS接收机的选择
RTK三维定位是基于载波相位测量的实时差分定位技术, 为了消除气象因素对GPS定位精度的影响, 保证测量精度, 应选择双频GPS接收机。在测量前, 应对GPS接收机在已知控制点上进行定点比对测试, 并在测量实施过程中注意与已知水位站同步比测水位。
3.2.2 GPS基准点的选择和测量
RTK基准点一般情况下应选择在测区附近开阔区域的控制点, 其高程精度等级应不低于四等, 平面精度应与测图精度匹配。本工程由于向外海延伸, 可利用的平、 高控制点受限于地域分布, 因此选择了C03( 近航道最里端的油码头) 、 徐圩海洋站、 车牛山等3个水位站附近的平高控制点。见图3.2-1。

图3.2-1 控制网示意图
3.2.3似大地水准面优化
当测区在控制网覆盖范围之内时, 一般采用布尔莎七参数转换模型同时完成平面基准和垂直基准( WGS84 GPS大地高至当地理论深度基准面) 的似大地水准面拟合。拟合可利用测区内分布均匀的四个及以上控制点的GPS水准求得。但在沿海地区控制网往往不能覆盖整个测区, 为此需对GPS水准控制网进行优化设计。
本工程经过在覆盖范围之外的测区远端( 航道E点) 增设虚拟控制点, 抛设座底式验潮仪, 与车牛山、 油码头、 徐圩长期水位站同步验潮, 采用”弗拉基米尔法”确定该点的深度基准面。虚拟控制点采用水面水准法传递高程, 并采用GPS水准拟合常见方法( 移去-恢复法) 进行似大地水准面优化。由于第3、 4次虚拟控制点布设间隔10km, 利用C03、 车牛山、 徐圩海洋站、 虚拟控制点( 第4次布设) 等4个控制点进行似大地水准面优化, 其成果与第3次虚拟控制点高程异常残差为3cm, 进一步验证了该方法的可靠性。
似大地水准面优化成果残差一览表 表3.2-1
点 名
X( m)
Y( m)
残差( m)
备注
徐圩海洋站
3837585.441
467429.081
0.03
与第3次确定值较差为0.03m
第3次位置为:
X: 3864313.060m
Y: 491076.040m
车牛山
3874126.154
483704.419
0.04
CO3控制点
3844378.820
451680.781
0.03
虚拟控制点( 第4次)
3866394.880
496227.190
0.01
3.2.4基准站的控制范围
考虑到25万吨级航道测量范围较大, 航道狭长, RTK-DGPS平面和高程定位精度受移动站与基准站的距离以及无线电干扰等因素影响, 为保证测量定位精度及测图质量, 作业期间将RTK数据链作用距离控制在20km范围内。即在测量过程中分别在车牛山、 C03( 近油码头) 和徐圩海洋站三个控制点上架设基准站, 控制差分数据传输最大距离不超过20km。施测过程中为确保信号强度及GPS锁定, 采用了中继站技术中转差分信号, 有效保证了GPS信号传输质量及全覆盖, 各基准站控制区域详见图3.2-2。

图3.2-2 基准站控制区域
3.3 影响水深测量精度的几种因素及相应对策
在实际使用RTK三维测深方式测深时, 测量结果精度会由于船体的摇摆、 采样速率、 同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成误差影响, 这些误差远远大于RTK定位误差, 从而成为RTK三维测深精度提高的瓶颈因素; 同时RTK-DGPS测量精度受信号遮挡的影响较大, 容易超出仪器误差标称值的范围, 甚至能使测量不能正常进行, 在生产中遇到此类情况, 应谨慎使用或者不使用。
1) 船体摇摆姿态的修正
船体姿态可利用三维滤波器进行修正, 修正包括位置的修正和高程的修正。滤波器可输出船的航向、 横摇、 纵倾等参数, 经过HYPACK软件接入进行修正。
2) 采样速率和延迟造成的误差
GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度, 现在大多数RTK DGPS输出率高达20Hz, 而测深仪的输出率各种品牌差别很大, 数据输出的延迟也各不相同。因此, 定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差会造成定位延迟。对于这项误差能够在延迟校正中加以修正, 修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到, 也能够采用以往的经验数据。
3) RTK高程可靠性的问题
RTK高程用于测量水深, 其可信度问题是倍受关注的问题。在作业之前能够把使用RTK测量的水位与人工观测的水位进行比较, 判断其可靠性, 实践证明RTK高程是可靠的。为了确保作业无误, 可从采集的数据中提取高程信息绘制水位曲线(由专用软件自动完成)。根据曲线的圆滑程度来分析RTK高程有没有产生个别跳点, 然后使用圆滑修正的方法来改进个别错误的点。
RTK三维水深测量数据采集期间不应进行船舶姿态垂直起伏改正、 动吃水改正和潮位改正, 但应施测RTK水位进行校准。实际工作中一般为了保障施测安全, 常需获取在航水位, 其静吃水值量取一般以水面为准。
3.4数据采集
RTK三维水深测量时, 应采用类似于HYPACK软件的综合数据同步采集平台, 同时RTK、 测深仪定位数据更新率不应小于10Hz, 三维姿态仪更新率不少于25Hz。为了避免GPS假锁定作业状态应每隔2小时对RTK流动站重新进行初始化 初始化后应衔接复测一条初始化前的断面, 同时严格控制船速, 避免突然加速、 减速和大角度转弯。
4数据处理与分析
4.1校准分析
施测前在已知控制点上利用布设的控制网成果及求解的转换参数进行比测验证, 比测结果表明平面定位以及高程中误差皆在0.02~0.03m之间, 证明控制网布设精度较高、 转换参数正确。
为了保证RTK三维测深精度在施测前以及施测期间采用测船实测RTK水位与已知岸站水位站比测, 海上虚拟控制点事后比测分析, 以第4次观测为例, 比对结果表明RTK水位差值与水位站实测水位差值在-0.02~0.07m之间, 精度较高。
水位站水位与RTK水位比较一览表 ( 单位: m) 表4.1-1
水位站
日期
时间
RTK水位
水位站潮位
水位差值
油码头水位站
7-19
19:22-19:35
1.57
1.63
0.06
油码头水位站
7-20
07:40-08:30
2.34
2.4
0.06
油码头水位站
7-20
13:50-14:00
4.26
4.24
-0.02
车牛山水位站
7-18
13:30-13:40
3.27
3.21
-0.06
海上虚拟控制点
7-12
11:40-14:30
2.03
1.96
0.07
海上虚拟控制点
8-3
1220-14:10
2.71
2.77
-0.06

4.2回淤观测分析
回淤观测分析一般根据RTK三维测深数据采用固定断面比较法、 沿程分段平均法、 沿程断面平均值( 最小值) 统计法、 DEM法以衡量测深精度和断面变化、 判断冲淤情况。以第3、 4次观测为例进行初步分析。
4.2.1固定断面分析
经过断面分析能够了解河床的过水断面变化情况, 对比不同时期测量的同一断面曲线, 能够发现该断面处的冲淤状况。根据第3次及第4次固定断面RTK三维测深结果分析可知: 两次测量水深总体比较吻合, 小部分区域断面回淤0.2~0.3m, 大部分区域断面水深变化在0.1m以内, 处于冲淤平衡
4.2.2沿程断面冲淤分析
沿程断面冲淤分析一般采取划分单元段求取单元段的平均水深来直观显现航道沿程冲淤变化情况, 后来为了不同的需要又将次演变为直接以施测断面为基准, 统计施测断面的特征值来展现航道沿程冲淤变化及适航情况。
鉴于此将航道自A0+000至W42+000按2km进行分段, 并计算航槽内平均水深, 绘制平均水深沿程变化图, 由图4.2-1分析可知: A0+000~W35+000区段航槽内第4次与第3次相比出现回淤, 最大回淤出现在A0+000~W3+000段, 平均淤积厚度0.25m。W35+000至W42+000区段水深变化不大, 基本呈冲淤平衡状态。固定断面分析结果与平均水深沿程变化图相吻合。
为了更直观的反映出航槽内水深冲淤变化情况, 对航道槽内自航道A0+050开始至W42+000, 纵向50m间距计算航槽内断面平均水深、 最小水深, 并绘制相应的沿程变化图。详见图4.2-2、 4.2-3所示。该分析方法直观显示出了沿航道由里向外总体上深于设计深度, 淤强最大在0~13km段, 同时经过航道沿程最小水深图能够分析出本航道适航情况较疏浚竣工差, 按最小水深来判断大多数区域不满足设计等级的货船进出港。

图4.2-1 槽内每2km平均水深沿程变化图

图4.2-2 航道槽内纵向50m间隔平均水深变化图

图4.2-3 航道槽内纵向50m间隔最小水深变化图
4.2.3DEM法冲淤分析
将航道水深值视为与高程Z属性相同的变量, 能够建立水下数字高程模型( DEM) [6], 以此为基础对航道进行可视化表示和定量分析, 根据不同测次的体积差异直观的表示出研究区域的冲淤变化情况[7][8]。对本工程第3、 4次RTK三维测深数据采用DEM法进行比较, 结果表明: 89%的水深差值小于等于0.2m, 95%的水深差值小于等于0.3m。航道槽内冲淤变化示意图( 以近岸段A0+000~W13+000为例) 见图4.2-4所示。

图4.2-4 航道槽内冲淤变化示意图( 近岸段)
5结论与建议
本文对回淤观测采用的似大地水准面优化、 三维测深质量控制以及数据处理等RTK三维测深关键技术及依赖于实测数据的断面分析及DEM分析的航道初步回淤分析方法进行了剖析, 验证了在近海水下地形测量采用RTK三维测深的测量方法是可靠的, 并经过实例分析为航道回淤研究提供了科学的基础依据。
考虑到RTK三维测深数据在实施过程中需要平面、 高程转换, 而回淤观测只是一个相对量分析, 为了减少由测量误差引起的分析误差, 建议回淤观测分析可直接基于椭球实施。

参考文献
[1] 李素江,郭文伟,裴文斌等.RTK三维水深测量应用研究报告,水运工程测量规范编写组, .
[2] 王朝金.连云港区25万吨级航道回淤观测技术报告,上海达华测绘有限公司, - .
[3] 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, (增刊):1-3.
[4] 李素江,董江等.RTK三维水深测量精度分析及试验验证[J].海洋测绘, .9.
[5] 张发栋,虞祖培.GPS无验潮测深技术在水深测量中的应用[J].港工技术, ,(2).
[6] 胡红兵,胡光道.基于DEM的河道演变可视化表示和定量分析[J],长江科学院院报, ,(2) :26~28.
[7] 王丽华,寿顺宝.利用DEM进行冲淤分析[J].中国港湾建设, ,(5).
[8] 杨健新.DEM技术在河床冲淤变化分析中的应用[J],人民珠江, ,(5):44~48.