GPS与测深技术在水下地形测量中的研究与应用Word文件下载.docx
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我们知道海洋占整个地球总面积的71%，海底的底部（海底）和大陆上的地形大致相同，也是由于各种地质构造运动，再加上海水的侵蚀作用，形成各种不同的海底地形和地貌特征。
由于海洋是如此的广阔，而其又占地球表面积中如此之大的比重，因此要对整个地球的形状进行全面的了解和正确的描述，单靠陆地上的测量工作是远远不够的，而必须把大陆上的测量工作延伸到广阔的海洋中去。
另外，我们还知道海洋既具有广阔的空间，可供航运之用，又是一个“绿色的宝库”，在那里蕴藏着人类所需要的极为丰富的各类资源，要开发这些资源，就要进行大量的海上作业，它们也需要测量工作为其正常工作提供可靠的测绘保障。
从广义的角度来讲，海洋测量是一门对海洋表面及海底的形状和性质参数进行准确的测定和描述的科学，而海洋表面及海底的形状和性质，是与大陆及海水的特性和动力学有关的，这些参数包括：
水深、地质、地球物理、潮汐、海流、波浪和其他一些海水的物理特性。
同时，海洋测量的工作空间是在汪洋的大海之中（海面、海底和海水中），工作场所一般是设置在船舶上，而工作场与海底之间又隔着一层特殊性质的介质——海水，况且海水还在不断的运动着，因此造成海洋测量与陆地测量之间虽有联系和可借鉴之处，但却使海洋测量具有明显的特殊性。
1.2.2海洋测绘的内容
海洋测绘源于陆地测量，根据海洋测量工作的目的不同，其任务可划分为科学性任务和实用性任务。
（1）科学性任务
这一任务包括三部分内容：
一是为研究地球形状提供更多的数据资料。
为此，要连续不断的测定海洋表面形态的变动情况，并进行分析研究，从而推算出和大地水准面的差距（海底地形）；
同时还要在广阔的海洋领域中，进行重力场的测定工作，为研究地球形状和空间重力场结构提供广泛的、精确的观测数据。
二是要对海底地质构造的重点地为此，为研究海底地质的构造运动提供必要的资料。
．
段，进行连续的观测，已探明海底地壳运动的规律，另一方面要为海洋地质工作者提供海底宏观的地形和地貌特征图，以及海洋地质调查时提供测绘保障。
三是为海洋环境研究工作提供测绘保障。
人类为了进一步了解海洋，进而向海洋进军，开发利用海洋，就要在海洋中进行大量的调查研究工作，如对海洋气候、海洋地质、海洋资源、海潮、海流以及海水的特性等，所有这些工作都要凭借于船舶提供工作场所，为了标明所有取样的地点，就必须知道船舶的位置，也就是说所有取样点的三维坐标是由海洋测量工作者提供的。
（2）实用性任务
关于海洋测量的实用性任务，主要指的是对各种不同的海洋开发工程，提供它们所需要的海洋测量服务工作。
也可以把这部分任务称为海洋工程测量。
它们的服务对象主要有：
海洋自然资源的勘探和离岸工程（亦称近海工程）；
航运、救援与航道；
近岸工程（包括陆上和水中的）；
渔业捕捞；
其他海底工程（包括海底电缆，管道工程等）；
海上划界等。
其中关于海上实际定界的作业方法，目前仍然处于探索之中，一般方法是：
在海底布设不连续的控制网，并根据这些控制网，在船上用定位系统，把船舶精确地导航到领海、大陆架、经济区等的边界上，然后投放浮标作为海面标志。
划界工作因属于国家的主权，所以海地控制网的精度要求很高。
对于渔业范围的划分虽然也属于划界范围，但是这种边界精度要求不高，根据目前各国资料来看，在50-1000m范围内均可。
根据不同的工作内容，可将海洋测量分成如下8种：
海洋重力测量；
海洋磁力测量；
海水面的测定；
大地控制与海底控制测量；
定位；
测深；
海底地形勘测；
制图。
1.2.3海洋测绘的特点
（1）在陆地上所测定的点的三维坐标（平面x，y和垂直坐标z即高程）是分别用不同的方法，不同的仪器设备分别测定的。
但在海洋测量中垂直坐标（即船体下的深度）是和船体的平面位置同步测定的。
（2）由于在海洋中设置控制点相当困难，即使利用海岛，或设置海底控制点，其相隔的距离也是相当远的。
因此，在海洋测量中测量的作用距离远比陆地上测量的作用距离长得多，一般在陆地中测量的作用距离为5-30km左右，最大的也1000km最长的达之间，50-500km但在海上测量的作用距离一般为。
50km不超过．
以上。
（3）陆地上的测站点与在海上的测站点相比，可以说是固定不动的。
但海上的测站点是在不断的运动过程中的，因此它们测量工作往往采取连续观测的方式，并随时要将这些观测结果换算成点位，而在陆地测量中，则无此必要。
由于海上测站点在不断的运动过程中，所以其观测精度也不如陆地上的观测精度高。
（4）由于作用距离的差别，陆上和海洋测量时所使用的传播信号也是不同的。
在海洋测量中一般必须使用低频电磁波信号，且其传播速度不能简单地作匀速处理，而在海水中，则应采用声波做信号源，这时声速受到海水温度、盐度和深度的影响。
（5）陆地上测定的是高程，及某点高出大地水准面多少，而在海上测定的是海底某点的深度即其低于大地水准面（我们可以近似的把海水面当作大地水准面）多少。
但由于海水面经常受到潮汐、海流和温度的影响，因此所测定的水深也受到这些因素的影响。
为了提高测深的精度，就必须对这些因素进行研究，并对水深的观测结果进行改正。
（6）关于重复观测，在陆地的观测点往往通过多次重复测量，得到一组观测值，进行平差后可得该组观测值的最或是值。
但在海上，测量工作必须在不断运动着的海面上进行，因此就某点而言，无法进行重复观测；
而其连续观测的结果总是对应着与原观测点接近但又不同的观测数据，所以不存在平差问题。
为了提高海洋测量的精度，往往在一条船上，采用不同的仪器系统，或同一仪器系统的多台仪器进行测量，从而产生多余观测，进行评差后提高精度。
另外，整个海洋测量工作，是在动态的情况下进行的，所以必须把观测的时间当作另一维坐标来考虑，或者用同步观测的办法把它消去。
1.3水下地形测绘的发展概况
同陆地一样，海洋与江河湖泊开发的前期基础性工作也是测图。
不同的是,
在水域是测量水下地形图或水深图。
兴建港口、水上运输、海上采油、海底探矿、海洋捕捞,发展水产、海域划界、海战保障、监测海底运动、研究地球动力等任务都需要各种内容的水下地形测量。
水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。
目前的水上定位手段有光学仪器定位、无线电定位、水声定位、卫星定位和组合定位。
水上定位同时,测量水的深度是确定水下地形的重要内容。
传统的水下地形测量是用经纬仪、水准仪等在沿江预先测定的断面上测量，江中载有测深声纳的测船的角度、距离并记录，每次测深操作都需由操作人员按动测深开关的同时用对讲机向各测站发送施测信号，各测站在收到信号同时进行观测并记录，记录的数据经计算、处理,描绘成水下地形图（内业）。
由于测量的主要成果——水下地形图是由测绘人员利用分度器、比例尺等工具按比例手工展绘到白纸（绘图纸或聚酯簿膜）上，这种成图方式属人员密集型，外业作业时需要将大量人员、仪器先期预置在各测站上，内业作业时主要由手工进行大量重复性的繁琐计算，工作人员工作强度大、效益低，速度慢，精度难以保证。
随着电子、声纳、计算机软硬件等技术的发展，产生了数字测深仪等测绘仪器，传统的测绘方法因此发生了质的飞跃。
20世纪60年代，出现了侧扫声纳，可探测船一侧（或两侧）一定面积海域内的水下障碍物和水底地貌,可以取得类似于航摄效果的水底表面声学图像。
20世纪70年代，又出现了多波束测深系统，它能一次给出与航线垂直的平面内几十个甚至百余个海底被测点的水深值,形成一定宽度的全覆盖的水深条带,可以比较可靠地反映出水下地形的细微起伏,比单一测线的水深测量确定水下地形更真实。
20世纪80年代以后,又推出了高效率的机载激光测深系统,激光光束的高分辨率能获得海底传真图像,从而可以详细调查海底地貌和地质。
数字测深仪作为当前水文行业应用广泛的测绘仪器，是微机与声纳技术结合发展的新型测深仪器。
在智能型数字测深仪中采用了声、电、磁、机的最新科学成果。
先进的测深仪均以U盘、内存或掌上电脑的方式记录数据,具有双路传输功能，可以与计算机或掌上电脑进行数据互传，也可以依靠笔记本电脑指令进行工作。
有了数字测深仪等先进仪器和GPS技术的大力支持，就可以建设三维数据采集、传输、处理的自动化测量数据处理系统，将传统大量的繁琐计算等工作交由计算机处理，减轻工作强度又提高了效益，加快了速度，精度也得到了保证和提高。
GPS、自动化数字测深仪的应用，以及微机软件的发展，促进了水下地形测绘的自动化，并为水下地形测量提供可靠的技术保障，测量的成果不仅是绘制在纸上的地形图，更重要的是提交可共享的数字水下地形信息，即以磁盘为载体,目前这将成为信息时代地理信息不可或缺的重要组成部分。
的数字水下地形图，
水下地形测量过程已逐步实现自动化,数字产品已多见。
在测量仪器发展的同时，测量方法与手段也在不断发展。
3S技术在测绘科学中的应用日趋成熟，遥感包括卫星遥感和航空遥感，基于遥感资料建立数字模型（DTM）已获得了较多的应用。
GPS是美国研制的军用导航定位系统，20世纪80年代商品化并推广到民用。
GPS定位方法精度高，方便灵活。
GPS定位技术在测绘行业的应用和普及，是测绘科技的一个重大的突破性进展。
GPS已成为测量测绘行业的主要手段，不仅具有全天候、高精度和高度灵活性的优点，而且与传统的测量技术相比，无严格的控制测量等级之分，不必考虑通视，不存在误差积累，可同时进行三维定位等优点，在外业测量方式、误差来源和数据处理方面是对传统测量观念的革命性转变。
2GPS和测深仪的工作原理
2．1引言
全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
经近10年我过测绘等部门的使用表明，GPS以全天侯、高精度、自动化、高效益、等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用与大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
2．2GPS的组成部分
GPS系统包括三大部分：
空间部分——GPS卫星星座；
地面控制部分——地面监控系统；
用户设备部分——GPS信号接收机。
（1）空间星座部分
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。
每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。
在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。
这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。
位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗。
在用GPS信号导航定位4卫星，称为定位星座。
这GPS颗4时，为了解算测站的三维坐标，必须观测
颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。
对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。
但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。
GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机。
而对于GPS定位成功的关键在于高稳定度的频率标准。
这种高稳定度的频率标准由高精确的时钟提供。
因为10-9秒的时间误差将会引起30cm的站星距离误差。
为此，每颗GPS工作卫星一般安设两台铷原子钟和两台铯原子钟，并计划未来采用更高稳定的氢原子钟（其频率稳定度优于10-14）。
GPS卫星虽然发送几种不同频率的信号，但是它们均源于一个基准信号（其频率为10.23GHz），所以只需启用一台原子钟，其余作为备用。
卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，在转发给用户设备。
（2）地面监控部分
GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
主控站设在美国本土科罗拉多。
主控站的任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传送到注入站。
主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失效的工作卫星。
另外还负责监测整个地面监测系统的工作，检验注入给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发给了用户。
三个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。
任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。
每天注入三次，每次注入14天的星历。
此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。
五个监测站除了位于主控站和三个注入站之处的四个站外，还在夏威夷设立了一个监测站。
监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。
每个监测站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。
在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每15分钟平滑一次观测数据，依此推算出每2分钟间隔的观测值，然后将数据发给主控站。
（3）用户设备部分
GPS信号接收机的任务是：
能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行交换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。
对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。
也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。
GPS接收机一般用蓄电池做电源。
同时采用机内机外两种直流电源。
设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。
在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。
关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。
近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。
各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1ppm·
D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2ppm·
D。
用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。
目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。
GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。
2．3GPS定位原理及特点
2．3．2GPS系统的特点
GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。
GPS系统与其他导航系统相比，主要特点有以下七个方面：
定位精度高①大量的实践和研究表明，用载波相位观测量进行静态相对定位，在小于50km的基线上，目前达到的典型精度为1ppm，而在100km-500km的基线上可达0.1ppm。
随着观测技术与数据处理方法的不断优化，在大于1000km的距离上，相对定位精度可达到0.01ppm，其精度是惊人的。
在实时动态定位（RTK）和实时差分定位（RTD）方面，定位精度也有了显著性的突破，目前可分别达到厘米级和分米级的定位精度，能满足各种工程测量的要求。
②观测时间短
随着GPS系统的不断完善，软件水平的不断提高，观测时间已由以前的几小时缩短至现在的几十分钟，甚至几分钟。
目前采用静态相对定位模式，观测20km以内的基线所需观测时间，对于双频接收机仅需15-20min；
采用快速静态相对定位模式，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2min；
采取实时动态定位模式，流动站出发时观测1-2min进行动态初始化，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。
因而用GPS技术建立控制网，可以大大提高作业效率。
③测站间无需通视
经典测量技术均有严格的通视要求，必须建造大量的觇标，这给经典测量的实施带来了相当的困难。
GPS测量只要求测站上空开阔，与卫星间保持通视即可，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标。
这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间（一般建造费用约占总经费的30%-50%），同时也使选点工作变得非常灵活，完全可以根据工作的需要来确定点位位置，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。
④仪器操作简便
随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高，有的已趋于“傻瓜化”。
在观测中测量员的主要任务只是安置仪器，连接电缆线，量取天线高和气象数据，监视仪器的工作状态，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。
结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。
如果在一个测站上需作较长时间的连续观测，有的接收机还可实行无人值守的数据采集，通过数据通讯方式，将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。
另外，现在的接收机体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，使得携带和搬运都很方便，极大地减轻了测量工作者的劳动强度，也使野外测量工作变得轻松愉快。
⑤全球全天候定位
GPS卫星的数目较多，且分布均匀，保证了全球地面被连续覆盖，使得地球上任何地方的用户在任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星，可以随时进行全球全天候的各项观测工作。
一般除打雷闪电不宜观测外，其它天气（如阴雨下雪、起风下雾等）均不受影响，这是经典测量手段望尘莫及的。
⑥可提供全球统一的三维地心坐标
经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测，而GPS测量可同时精确的测定观测站平面位置和大地高程。
目前GPS可满足四等水准测量的精度。
GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。
另外，GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。
⑦应用广泛
随着GPS定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽。
目前，在导航方面，它不仅广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且在运动目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也已获得成功的应用；
在测量方面，
这一定位技术在大地测量、工程测量与变形监测、地籍测量、航空摄影测量和海洋测绘等各个领域的应用，已甚为普遍。
GPS系统不仅用于测量和导航，还可广泛用于交通、气象、农林等众多相关领域。
2．4差分GPS定位原理
3水下地形测量的作业过程
水下地形测量,就是利用测量仪器来确定水下地形点的三维坐标的过程。
在“GPS+计算机（含数据处理软件）+数字测深仪”的测量模式中,通过GPS的RTK功能（RealTimeKinematic）,即实时载波相位差分技术,（是实时处理两个测点载波相位观测量的差分方法）获得水面点的平面坐标及高程,通过测深仪获得该点处的水深,最终解算出与该点垂直对应的水下地形点的三维坐标。
水下地形测量包括两部分:
定位和水深测量。
就目前的水下地形测量的主流技术而言,定位采用的是GPS差分定位模式，而水深测量采用的是回声测深仪的方法。
这样就可以确定水底点的高程：
式中，为水底点高程，为水面高程，为测量水深，为换能器的静吃水。
现以美国HypackMax水道测量软件，对差分GPS在水下地形测量中的应用作介绍。
测量作业分三步来进行,即测前的准备、外业的数据采集和数据的后处理及成果输出。
3.2外业数据采集
测前准备工作完成之后，便可以进行水深测量作业。
水深测量作业亦是时间、位置、水深等测量数据的采集。
测量程序是一个功能十分强大的上线指导和数据采集程序，它能够利用不同类型的导航通讯接收机，提供精确的位置信息，能够计算出多种椭球体和投影下的位置数据，还能支持不同类型的回声测深仪。
（1）把基准站架设在求坐标转换参数时架设的基准点A上,且坐标保持不变。
在测量船上，将GPS接收机、数字化测深仪和计算机等连接好后,打开电源。
（2）硬件设置
硬件是我们要使用的疏浚、测量设备。
为了使测深仪、差分GPS接收机和HypackMax软件能正常使用。
我们需要知道设备的类型其连接方式以及选用何种频率读取数据，这就需要对硬件进行设置，每次水深测量前都要进行此项工作的检测。
一般水下地形测量主要是对测深仪、差分GPS进行更改，保证其串口正确地连接。
若需更多的设备则可通过添加硬件进行操作。
当设备与电脑连接好后，启动HypackMax，同时，硬件设置完成后应对所连接的设备进行测试，当有数据代码连续正常出现后，说明设备连接完好无误，可以进行数据采集，否则应重新进行检查线路的连接或硬件设置是否正确。
（3）数据采集
HypackMax的测量程序从当前“工程项目”中装载信息，通过从当前项目中的文件读取的方式，它可得到大地测量参数、项目文件和硬件信息，它将从当前“项目”中装载当前测量计划线文件“*.lnw”，它也将装载当前激活的一些背景文件。
点击测量图标的“开始测量
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