GPSRTK技术联合数字测深仪在湖泊库容测量中的应用探讨

０１３－０４－２４［作者简介］　程剑刚（

１９８０—），男，汉族，湖北孝感人，工程师，主要从事工程测量及城市测绘工作。ＧＰＳ　

ＲＴＫ技术联合数字测深仪在湖泊库容测量中的应用探讨

程剑刚　蔺志永

（北京市测绘设计研究院，北京１０００３８

）［摘　要］　介绍了ＧＰＳ　ＲＴＫ技术联合声波测深仪测量湖底地形技术，通过实测的外业数据使用ＣＩＶＩＬ３Ｄ软件计算六个湖泊的水容积、

库容积、最大水深等特征信息。在工作中总结出一套科学的湖泊勘测技术流程，提出了一些常见困难的解决方法，对以后湖泊特征基础信息的获取具有指导意义。

［关键词］　河流湖泊勘测　ＧＰＳ　

ＲＴＫ技术　数字测深仪　库容计算［中图分类号］　Ｐ２２８．４　　　［文献标识码］　Ｂ　　　　［文章编号］　１

００７－３０００（２０１３）０５－５　　于２

０１０年１月下发了《关于开展第一次全国水利普查的通知》，决定用３年时间在我国开展水利普查。河流湖泊基本情况普查是第一次全国水利普查的主要任务，作为北京市第一次水利普查工作的重要组成部分，开展河湖基本情况普查工作是为了准确掌握我市水资源分布及开发利用保护现状，摸清经济社会发展对水资源的需求，了解水利行业能力建设状况，建设北京市基础水信息平台，

为北京市经济社会发展提供可靠的基础水信息支撑和保障。本次普查共勘测湖泊６个，其中包括三个国普级别的湖泊（昆明湖、丰产湖、团城湖）及三个市普级别的湖泊（玉渊潭西湖、八一湖、柳荫湖），对湖泊的最低点位置及高程、最大水深、湖泊现有水容积和最大库容等等基础特征信息进行了勘测。

本次湖泊勘测是北京市首次联合采用测绘和物探的高新技术对城市湖泊进行勘测，探索出一套完整的城市湖泊测量流程，

准确勘测出六个湖泊的水容积、库容积。通过采用网络ＲＴＫ定位，自动化程度高，工作效率显著提升，定位非常准确。本次勘测为城市湖泊勘测开辟了新思路，能够很好的在业内推广运用，大大提高生产效益。

１　湖泊库容测量的具体过程

１．１　工作流程

本项目基于北京市ＧＮＳＳ测绘服务系统，联合运用测绘和物探新技术，使用ＲＴＫ和声波测

深仪共同探索出一条高效的城市湖泊基础数据勘测流程，大大提高了城市湖泊基础数据勘测效率和精度，

解决了勘测中遇到的定位不准、效率不高、水中航线易偏、测深不准和工作量巨大等一系列问题，其工作流程主要分为四个阶段，如图１所示

。

图１　湖泊勘测流程

１．２　湖泊主要特征基础数据的获取

按照设计方案，首先应对湖泊岸边地形进行测绘，因为湖泊岸边地形图将直接用于测线规划，引导第二阶段湖底地形测绘工作，也将应用于后期的内业成果计算。但由于北京地区湖泊冬季结冰，为保证工期，先进行第二阶段湖底地形勘测的工作。按照北京市的要求，六环内的１：２０００地形图每年都更新一次，

我院已有的六个湖泊地形图完全满足测线规划的要求，因此可以直接图解出六个湖泊的湖上口地形，用于测线布设。设计昆明湖测线间距为２０米，其余湖泊为１５米，在地形变化较大的地区或者重点区域加密测线。

（１

）湖底地形勘测［１］［２

］

图２　水深测量导航定位系统

湖底地形勘测采用ＲＴＫ和测深仪联合作业，其系统组成如图２所示，操作员事先将湖岸地形图导入计算机，按照相应规范要求规划好测线，

以便勘测时沿着测线进行作业。作业中通过ＲＴＫ技术进行导航定位，

指导测量船只沿着测线航行。在显示终端能够准确的显示出航行速度、实时水深、实时点位坐标，偏离航线的距离和ＲＴＫ是否固定解等重要信息，以便指导操作。当勘测系统偏离测线时，显示系统能实时显示出偏离的方向和距离，

以便及时修正船只前进方向。测深仪是通过探头往湖底发射超声波，声波在遇到湖底后反射回来并被探头所接受，探头记录了声波发出和接收的时间差，利用时间差与波速相乘结果除以２就是测深仪探头至湖底的深度。由于声波在水中传播速度与温度，水质等等各种因素有关，因此在勘测时需要现场校正波速。只有波速校正准确才能使得测出来的深度准确。校正波速时先假定一波速，

使用测深仪在某位置测得湖泊水深，

然后利用测深杆在同一位置实测水深，通过测深杆测得的数据和测深仪测得的深度进行对比，修正当时预设的波速值，从而得到准确的波速值。

湖底地形勘测工作原理［３］

如图３所示，将

ＧＰＳ接收机和测深仪用金属杆连接，使杆始终处于竖直状态，ＧＰＳ接收机实时测得其所在位置的三维坐标，用ＧＰＳ所测的高程减去ＧＰＳ中心至测深仪探头底部的距离（可用钢尺量取，为一固定值）

，再减去测深仪所测得的水深，即可得到湖底的高程；量取测深仪探头底部至水面的距离即可得到水深，

同时也可以得到水面高程。但由于船舶行驶过程中对水有一定的扰动，此时求得的水面高程仅作为参考用，不能作为真实的水面高。由于杆处于竖直状态，

因此湖底该点的平面坐标默认为与ＧＰＳ接收机当时所测的平面坐标相同。由此即可得到湖底点的平面坐标和高程

数据

。

图３　湖底地形勘测工作原理图

当水面有波浪使得船体上移或下移时，由于ＲＴＫ技术定位很快，使得ＧＰＳ实测的高程也在实时变化。当ＧＰＳ由于波浪的原因变高或者变低时，

测深仪测得的水深也有相应的改变，两者相互抵消，保证湖底高程测量值真实准确。当船体倾斜时，ＧＰＳ所测的平面位置和湖底的平面位置不同，而且湖底地形的高度和之前计算方法也有不同，因此在实际工作中应选择较大的船只，使其受波浪影响较小，倾斜不大，其误差小于《海道测量规范》

的规定即可忽略不计。当船舶倾斜度较大时，该区域需要重测，以保证数据的准确性。实测中一人利用笔记本电脑操作ＧＰＳ和测深仪，

一人操作船只，保证船只沿着规划测线运行，

另外两人利用测深杆每隔一段距离测一次湖底深度，与测深仪所测的深度进行对比，并做记录。当发现测深仪测得的数据和测深杆测得的数据相差较大时，应立即分析原因并马上处理纠正。

（２）湖岸地形、湖泊上口最低点和湖面高程测量

完成湖底地形测量后应对湖岸地形、湖泊上口最低点和湖面高程进行测量。湖岸线位置与高程测量采用全站仪测量坐标，在三级导线控制点上设站，使用不低于Ｊ６级全站仪，用极坐标法测定，并符合现行行业标准《城市测量规范》ＣＪＪ／Ｔ８　２０１１的规定。采用ＧＰＳ　ＲＴＫ测量时，其施测方法和技术要求，等同于控制测量；对无法采用全站仪和ＲＴＫ直接测量，使用内插、外插、距离交会、直角推算等间接方法。

１．３　湖泊库容的计算

［４］

湖泊的库容积和水容积的计算采用了当前较为流行的虚拟建模的计算方法，利用采集到的湖底点坐标和高程建立起水底的数字高程模型，模拟出水下地形的高低起伏。因为越靠近边缘

计算采用了当前较为流行的Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司出品的ＡｕｔｏＣＡＤ　Ｃｉｖｉｌ　３Ｄ，它可以直观的将所建立的曲面以三维的方式展现出来。软件能够快速地计算现有曲面和设计曲面之间的体积。在计算水容积和库容积中，我们是利用了它的曲面计算功能。

在计算过程中，首先将外业ＧＰＳ测定的湖底各点坐标和高程值，按照规定的数据格式导入ＡｕｔｏＣＡＤ　Ｃｉｖｉｌ　３Ｄ软件中，建立起三维的高程曲面。

数据导入后生成曲面的三角网，同时根据需要可以生成曲面的等高线等地貌要素，可以将其命名为湖底曲面。所生成的曲面可以通过对象浏览器查看其三维图像（图４）

。

图４　湖底三角网

然后将外业ＧＰＳ测定的水面高程值和测定的水线生成一个和湖面重合的曲面，可以命名为湖面曲面。从外业ＧＰＳ测定的湖岸高程值中选取最低的高程，和测定的湖岸线生成一个和湖岸重合的曲面，命名为湖岸曲面，有了这三个曲面就可以利用ＡｕｔｏＣＡＤ　Ｃｉｖｉｌ　３Ｄ软件来计算湖泊的库容和水容积（图５）

。

图５　湖泊容积计算结果

２　湖底地形勘测中遇到的困难和解决方法

２．１　水上勘测定位不准，航线易偏

以往勘测湖泊时由于水面上没有合适的参照物，使得水上勘测定位困难。本次使用ＲＴＫ可以快速、准确定位，为勘测船只的运行提供实时导航。当湖面面积较大时，即使有导航技术也容易产生船只一会偏左一会偏右的现象，无法保证航线为一条理想的直线。根据本项目得到的经验，在勘测时应目视远方岸边，根据规划好的测线寻找湖泊岸边相应终点的参照物，并始终朝着该参照物航行。同时在航线出现偏离时，不要让船只猛烈拐弯，而应该以较小的幅度修正航向，保证测线的平滑，也能更好的使船只沿着规划好的测线运行。

２．２　ＲＴＫ实测数据和测深仪测深数据相匹配的困难

以往勘测湖泊时，由于波浪会使得水面忽高忽低，因此测深杆或测深尺测得的水深会与真实值相差较大，结果不够准确。本项目中将ＧＰＳ和测深仪用金属杆连接起来，保证两者之间的距离不变，并能够同时运动。此时当船只因为波浪上下移动时，ＧＰＳ升高，则测深仪测得的深度有相应的增加，两者抵消使得湖底高程值真实；同理当ＧＰＳ下降时，测深仪测得的深度减少，湖底高程值也是真实的，因此该勘测系统不受波浪上下波动的影响。

为保证ＧＰＳ所测的坐标和测深仪所测的数据能够匹配，必须要求ＧＰＳ中心和测深仪中心都在铅垂线上。实际工作中由于测深仪探头在水中，勘测系统前进时由于水的阻力会使得连接ＧＰＳ和测深仪的杆倾斜。我们把连接ＧＰＳ和测深仪的金属杆称为ａ杆，另外一根金属杆ｂ通过三通管用螺丝固定住ａ杆，让ｂ杆垂直于ａ杆，同时将ｂ杆水平放在船上，这样可以保证ａ杆在行驶过程中不会因为重力的作用下坠，另外将ａ杆靠近ＧＰＳ机头位置处用２条绳子拴紧，向垂直于ａ、ｂ杆所在的平面两边拉直并拴在船体上，由此避免水的阻力造成的ａ杆倾斜（图６）

。

图６　外业实测示意图

２．３　其他困难

在使用测深仪测量水深时由于声波无法穿透茂盛的水草，因此经常出现所测的深度值比实际深度值小。对这个问题我们主要采取两种方法解决，一是加密采集点，保证有足够的有效探测点；二是通过测深杆的量测辅助校正测深仪所测数值的准确性，由此保证所测成果真实可靠。

３　结论

在对昆明湖、丰产湖、团城湖、八一湖、玉渊潭西湖和柳荫湖六个湖泊进行勘测时，通过ＧＰＳＲＴＫ技术和声波测深仪的联合运用，准确、高效地获得了六个湖泊的基础特征数据，为内业计算奠定了坚实的基础，开拓了测绘新市场，拓宽了测绘服务社会的领域，摸索出一套成功的城市湖泊测量技术流程，主要创新点如下：

（１）联合ＧＰＳ　ＲＴＫ测量和物探新技术，勘测速度和精度大大提高。

使用网络ＲＴＫ测量技术，在进行湖泊水下地形测量时主要有两方面的作用：（ａ）通过前期测得的湖泊岸边地形，引导勘测系统按照前期定好的测线准确航行，解决水上勘测定位难、航线易偏的问题；（ｂ）利用ＲＴＫ技术快速定位，指导测深仪根据设计好的间距进行触发测深。由于定位速度快，使得勘测湖底地形时船只行驶速度能达到１０公里每小时。网络ＲＴＫ定位精度非常高，能够达到厘米级，定位速度快，使测深仪和ＧＰＳ两者实测的数据能够很好的匹配。和以往人工勘测方法相比，能大幅提高勘测速度，同时准确性也大大提高。

（２）探索一套新的城市湖泊勘测流程，解决了勘测中遇到的各种困难。

实际工作中为避免多路径效应、保证ＧＰＳ接收机中心和测深仪中心保持在一条铅垂线上、避免水草影响和波浪对湖底地形勘测的影响，采用了一定的技术手段，通过本项目成功摸索出一套城市湖泊测量的技术流程，为日后水利和测绘部门测量城市湖泊提供了成功的经验，联合物探技术，扩宽了测绘服务领域。

（３）建立城市湖泊主要特征基础数据库，全面查清六个湖泊的分布和相关特征。

根据水位情况了解湖泊现有水容积是水利部门非常关心的事情。通过本项目可以得到六个湖泊水位和水容积之间的关系曲线，建立基础数据库，同时得到湖泊分布、湖泊底部地形和湖泊岸边地形、湖泊最大水深和岸边最低点高程等相关信息，指导水利部门合理调度和使用水资源，保证城市正常生产、生活对水资源的需求。

参考文献

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［３］王守彬，王新洲，刘晓东．ＧＰＳ－ＲＴＫ与数字测深集成技术在水下地形测量中的应用［Ｊ］．测绘信息与工程，２００４（９）：３０－３１．

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Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ＧＲＳ　ＲＴＫ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ＤｉｇｉｔａｌＤｅｐｔｈ　Ｓｏｕｎｄｅｒ　ｉｎ　Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌａｋｅ

ＣＨＥＮＧ　Ｊｉａｎ－ｇａｎｇ，ＬＩＮ　Ｚｈｉ－ｙｏｎｇ

（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｐｐｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＧＲＳ　ＲＴＫ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｄｅｐｔｈ　ｓｏｕｎｄｅｒ　ｉｎ　ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ（下转第３０页）３　总结

１）与根据传统的点之记找点的方法相比，在ＧＥ上进行测量控制点的标注更直观，根据ＧＥ上的地标可以快速准确地寻找到控制点。与手工单个标注控制点的方法相比，批量标注控制点的方法效率更高。

２）线路工程中路径的展绘，使选线工作更加直观，效率更高。采用ＶＣ＋＋编程的方法，通过程序批量自动生成地标文件，更适合用于对整条线路塔位的标注和管理。

３）从以上论述可以看出，Ｇｏｏｇｌｅ　Ｅａｒｔｈ的二次开发，使Ｇｏｏｇｌｅ　Ｅａｒｔｈ选线与传统的选线方法结合的更加紧密，传统的选线方法和ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ的选线方法的长处都得到了充分的发挥，其各自的缺点也得到了相应的弥补。致使选线效率得到了显著提高，而且更加有益于线路的优化。随着Ｇｏｏｇｌｅ　Ｅａｒｔｈ的不断发展，利用ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ进行数据提取的工作会越来越多，相关的二次开发工作将会得到更进一步的发展，其应用面将更加广泛。

参考文献

［１］黄平，牛跟良，杨军。Ｇｏｏｇｌｅ　Ｅａｒｔｈ的二次开发在线路选线中的应用［Ｊ］．工程勘察２０１０增刊，（１）．［２］王力．浅谈Ｇｏｏｇｌｅ　Ｅａｒｔｈ软件在高压送电线路设计中的应用［Ｊ］．安徽电力２００９，（６）．

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Ｇｏｏｇｌｅ　Ｅａｒｔｈ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｔ

Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　Ｒｏｕｔｅ　Ｓｕｒｖｅｙ　Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ

ＨＵ　Ｘｉａｎ－ｈｕｉ，ＬＩＵ　Ｂｏ

（Ｃｈｉｎａ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ

Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００２１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｏｏｇｌｅ　Ｅａｒｔｈ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｓｕｒｖｅｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｆｒｅｑｕｅｎｔ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｏ　ｒｅａｄ　ａｎｄｗｒｉｔｅ　ＫＭＬ　ｆｏｒｍａｔ　ｆｉｌｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍａｋｅ　ｉｔ　ｐｌａｙ　ａｇｒｅａｔｅｒ　ｒｏｌｅ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｇｏｏｇｌｅ　Ｅａｒｔｈ；ＫＭＬ；ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ－ｅｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

（上接第４５页）

ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｆｉｅｌｄ　ｄａｔａ，ｗｅ　ｕｓｅｄ　ＣＩＶＩＬ　３Ｄｓｏｆｔｗａｒｅ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｒｅｓ－ｅｒｖｏｉｒ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｍａｘｉｍｕｍ　ｗａｔｅｒ　ｄｅｐｅｔｈ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｘ　ｌａｋｅｓ．Ｗｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ａ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆ　ｌａｋｅ　ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｆｏｒ　ｓｏｍｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｗ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｆｏｒｏｂｔａｉｎｉｎｇ　ｂａｓｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｋｅ　ｉｎ　ｆｕｔｕｒｅ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ｒｉｖｅｒｓ　ａｎｄ　ｌａｋｅｓ；ＧＰＳ　ＲＴＫ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｄｅｐｔｈ　ｓｏｕｎｄｅｒ；ｃａｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｃａｐａｃｉｔｙ