超声波测深仪和GPS定位系统在二河闸河道观测中的应用

超声波测深仪和GPS定位系统在二河闸河道观测中的应用

作者：杨洪霞

来源：《中国科技纵横》2012年第12期

摘要：河道观测是工程观测的主要内容之一,按照水利工程的相关规范,它包括河道地形和固定断面观测（包括过水断面和大断面观测）,其中主要也是最困难的就是河床水下地形的观测。河床水下地形的观测主要包括定位以及水深测量,就是对各观测点的相对位置进行定位和测量相应的水深,并通过水位等数据来推算各测点相应的高程,从而绘制出河床断面图或水下地形图,为进行河床冲淤变化分析提供依据。2009年以前,二河闸的河道观测均采用传统的测量方法。近几年,为了更好地满足工程测量要求,我们引进了超声波测深仪和GPS定位系统（以下简称水下地形测量系统）来进行河床水下地形观测。 关键词：超声波测深仪 GPS定位系统 二河闸 1、测量设备介绍 1.1 超声波测深设备

超声波测深仪的工作原理是根据超声波能在均匀介质中匀速直线传播,遇不同介质面产生发射的原理设计而成的。超声波测深仪是以水体为超声波媒介,测深时将超声波换能器放置于水下一定位置,换能器到水底的深度可以根据超声波在水中的传播速度和超声波信号反射出去到接收回来的时间间隔计算出来。超声波测深仪一般主要由超声波换能器和测控装置两部分组成。超声波换能器用于超声波发射和接收;测控装置控制仪器发射、接受和对接受数据进行分析处理。我们选用的是中海达一体化测深系统,它包括1台主机和1台换能器,主机内集成高稳定性的工控电脑、测深仪、水深采集软件及海洋测量软件。测量时连接GPS接收机和12V的电源即可工作。

1.2 GPS全球定位系统

GPS即全球定位系统,是由美国建立的一个卫星导航系统,利用该系统,可以通过接收卫星信号来实时确定地面位置。选择该设备需要考虑的一个十分重要的因素就是定位精度。我们根据工程观测的精度要求,选择了双频RTK GPS测量系统。该系统由基准站和移动站组成,其中基准站包括一体化蓝牙GPS接收机、无限发射电台、遥控终端和电源系统;移动站包括GPS接收机、蓝牙手簿等。

2、水下地形测量系统的优点

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随着工程观测新技术、新设备的不断推广应用,2009年以来,我们采用超声波测深仪来测量水深,采用GPS全球定位仪来确定观测点的三维坐标,从而十分方便、快捷、高效、精确地进行河道河床水下地形观测。与传统的测量方法相比,其优点主要可以概括为以下几个方面: 2.1 数据处理简单,错误率降低

由传统的测量方式所得的数据需逐一记录在专用的记录簿上,然后输入电脑进行处理、绘图及分析。数据处理人员经常无法准确处理复杂繁多的数据,从而产生错误;而采用超声波测深仪和GPS全球定位系统测量时,其数据是自动保存的,测量完毕后,将数据文件导入专用的软件系统,即可绘制出断面图、水下地形图等,无须人工录入数据,大大降低了错误率。 2.2 工作快捷,节省人力、物力

在GPS基站架设好,并接上无线发射台开机运行并设定好基本参数之后,只要将GPS移动站连接至超声波测深仪,启动测深仪并设置好基准高程,即可进入测量状态。测量过程中,测量船可以在测深仪导航系统的指示下按断面行走,也可按散点测量法在测量河段任意行走。测量数据无须人工记录,由测深仪电脑自动记录保存。一次测量只需要3-4人即可,一条测量船,一套设备而已。相较于过去传统的测量方法,不仅速度快,而且节省大量的人力、物力。 2.3 操作简便、易学

无论是超声波测深仪还是GPS定位系统,其操作手簿都配备了全中文界面的Windows操作系统。其中超声波测深仪配备了12英寸的电阻式触摸屏和专业导航测量系统,操作简单易学。 2.4 测量精度高,测量条件限制少

传统的测量方法由于受水流、天气等因素的影响,导致其定位精度差;其次,用于测量水深的测深杆、测深锤（或铅鱼）受河床淤泥、水流等因素影响,测深误差也很大;加之为了减少测量工作量,测点间距一般比较大,因此测量精度往往得不到保证。对于像二河闸这样宽的河道,其河道观测采用经纬仪交会法测量,仪器架设在岸边,观测点在附近还可以,观测对岸时则很难看清,遇到阴天雾气大的情况则根本无法观测。即使是天气晴好时,也会由于距离远而很难弄清测量船只位置,导致每次的测量端面那以保持一致。而采用水下地形测量系统测量时,其测量数据是连续、即时显示和保存的,精度达到±1cm+0.1%,定位系统的测量精度达到静态:±

（5mm+1ppm）,RTK:水平±（10mm+1.5ppm）垂直:±（30mm+1.5ppm）,完全符合测量规范要求。相较于传统的测量方法对测量天气、水流情况等都有很多限制,水下地形测量系统则可以全天候工作。

3、传统测量方法的弊端

二河闸的河道断面比较宽阔,一般都在500米左右,通过拉过河断面索测量很困难,都是采用视距法,即利用光学仪器或全站仪来定位。根据流速、水深、流态等情况,往往采用测深锤,测深

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杆、铅鱼等方法测量水深。然后根据相关数据推算河床高程。采用上述方式进行测量,一是测量困难,受天气等自然因素影响;二是受水流、水深、水位波动等因素影响,测量精度也不高;三是测量所需人力、物力较多,耗时长,效率低。 4、对水下地形测量系统的一些应用体会