梁昭阳

(福建船政交通职业学院道路工程系，福州 350007)

利用FZCORS结合数字测深仪技术在城市内湖清淤中的应用

梁昭阳

(福建船政交通职业学院道路工程系，福州 350007)

水下地形图在城市建设、航道疏浚、湖泊清淤中具有重要作用。阐述了福州市全球导航卫星系统连续运行参考站系统的基本原理和构成、网络RTK模式与数字测深技术集成、方格网法土方计算基本原理，并以福州市左海公园湖泊清淤工程为案例，详细论述了利用FZCORS技术与数字测深仪在城市内湖清淤中的应用，并得出了一定结论。

CORS；数字测深仪；网络RTK；土方量；清淤

0 引言

CORS系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度融合的综合系统。CORS系统不仅可以向各级测绘用户提供高精度、连续的时间和空间基准，还可向用户实时提供差分信息，实现精确定位，与传统作业模式相比具有覆盖范围广、成本低、精度和可靠性高、应用范围广等特点。数字测深仪能够获得水深数据，但不具备定位功能，将网络RTK技术和数字测深技术进行集成，实现水深数据和定位数据的同步采集，从而获得水下高程数据，为各类河道、湖泊的疏浚工程提供水下地形数据。

1 FZCORS系统

福州市全球导航卫星系统(GNSS)连续运行参考站系统(FZCORS)于2007年初步建成，是福建省首个城市区域性CORS系统，FZCORS系统由在福州辖区内多个GNSS联系运行参考站组成的参考站网和一个数据处理中心构成。系统覆盖了福州市区，为了能够给FZCORS系统区域内的用户提供精确的差分数据，系统参考站坐标联测了多个国家高等级GPS控制点，并结合IGS跟踪站的精密星历进行严密平差解算。系统数据处理中心通过对数据接收处理模型化向用户播发差分改正数据，用户接收数据后能够实现网络RTK作业，同时也可以进行DGPS作业。FZCORS主要为各级测绘用户提供高精度、连续的空间基准，满足福州区域的城市发展建设，同时也为数字城市建设提供数据服务。[3]

2 网络RTK与数字测深仪集成原理

网络RTK由基准站网，数据处理中心和数据通信线路组成，用户利用通信网络接收基准站发送的差分信息，实现快速定位。数字测深仪的基本原理是利用超声波穿透介质形成的反射现象，通过超声波的传播速度和时间来计算声波传播距离。基于网络RTK的实时定位功能和数字测深仪的水深测量功能，将各自的功能进行集成就形成了能够实时输出三维信息的水下地形测量设备。

采用网络RTK和测深仪联合作业时，需要将测深仪与RTK进行连接，然后通过笔记本电脑进行设置和操作，利用数据软件将同步接收到的RTK数据和测深数据进行整合形成三维测量数据，系统组成如图1所示。在进行设备固定时为确保RTK数据与换能器测深数据在同一垂线上，需保证RTK测杆和与之相连的换能器垂直安置，并且用绳索固定牢靠确保其在船体运行过程中不发生倾斜。如图1，若RTK采集的高程数据为H1，测深仪采集到的深度数据为H2，水下对应点位的高程为[5]：

H=H1-H2，

(1)

式中H1为RTK天线高减去RTK天线至换能器的高度，即换能器底部高程。

由于GPS采用的是WGS84系统，为了将其坐标数据转换为当地坐标系需要进行坐标转换。利用FZCORS网络RTK技术可将采集的坐标直接转换到当地坐标系统中，同时再使用大地水准面精化技术计算高程异常，通过事后或实时进行高程异常改正，GPS将大地高程系统转换为正常高，即可确定水下点位的真正高程。

图1 水下测量示意图

3 清淤量的计算

南方城市水系发达，城市内河湖泊众多，河道清淤已经成为河道治理的常态化工作。清淤量计算作为土方计算的重要应用之一，是各类河道湖泊疏浚清淤工程量的关键指标。土方量计算的方法有很多，在实际应用中最为广泛的主要有方格网法、断面法两种，不同的方法适用不同的地形情况，断面法主要在带状地形的土方计算中使用，方格网法主要适用各类块状和地形起伏较小的地块，因此，要根据实际情况选择土方计算方法。

湖泊的面积较大且地形起伏较小，方格网法十分适用城市内湖清淤方量计算。方格网法通常将地块划分成若干个边长5～20 m的正方形格网，将设计标高和现状标高标注在右上角(如图2)，计算各角点的清淤高度(填或挖)，根据各角点的标高差计算每个四棱柱的体积，其基本公式为[6]：

图2 方格网计算示意图

(2)

式中：V为清淤工程量；a为方格边长(m)；h1、h2、h3、h4分别为方格网4个角点的清淤高度(m)。当在一个格网同时出现填方和挖方时，需要先计算出零线位置，区分填方和挖方界限。最后将所有方格网内的填方和挖方数进行汇总，得到总的清淤量。

4 工程应用

按照福州市建设规划，为进一步提升城市形象，打造内河旅游新亮点，对左海—西湖—白马河之间的通航能力进行提升，实现西湖—闽江全线通航。左海—西湖通航工程作为首期工程，首先需要实现左海—西湖水体的联通，对左海进行清淤，最终达到水位一致。

4.1 水下清淤测量方案

本次左海清淤工程整个水域面积达到110 000m2以上，通过对收集到的测区外业踏勘情况和资料进行分析，同时参考水下地形测量经验，决定采用网络RTK+数字测深仪的方式进行湖底标高测量。根据测区地形图和测量范围，设计规划测量航线、检查线、组织外业施测。外业实际测量时RTK直接利用FZCORS系统，将采集到的坐标数据直接转换到福州城市地方直角坐标系上，避免内业进行二次坐标转换。外业采集的高程需要进行高程异常改正才能达到土方测量规范的要求，因此，需要利用福州市似大地水准面精化(FZGEOID)模型解算高程异常，此项工作需要在内业进行事后改正。

4.2 数据采集

具体采用GNSS综合服务系统(FZCORS)和华测X91型GPS接收机配合南方SD-28D双频测深仪进行湖底淤泥面标高的三维数据采集。将GPS接收机、双频测深仪、随机电脑用电缆进行连接，同时配上蓄电池保证电源的供应。GPS接收机和换能器需利用绳索固定在测量船上，确保在航行过程中不发生偏移，量取GPS天线至换能器底部的实际高度，设置好CORS参数后，配合事先导入好的测区地形图和规划航线，利用南方水上自由行软件按2m步长进行水深数据的自动采集。数据采集过程中至少需要2名工作人员，其中1人负责笔记本电脑操作GPS和测深仪，监视采集的测深数据是否有漂移现象，网络RTK连接是否正常，指挥船只驾驶员沿既定的航线行使。

因靠近湖岸边树木较多，遮挡严重，无法接收到CORS差分信号，定位误差较大，故采用全站仪配合测深杆的方案，用传统极坐标采集的方式获取沿岸一测的湖底标高数据。

4.3 清淤量计算

将外业采集到的测深数据，按照航线导出DAT格式，并利用似大地水准面精化模型对高程进行高程异常改正，获得最终的三维湖底标高数据。

清淤量计算采用5m方格网法计算，按照甲方提供的清淤方位线，在地形图上重新绘制完整的计算范围线(闭合)，利用CASS7.1软件方格网法土方计算功能进行清淤量计算，计算时将清淤前的原始标高和清淤后的湖底标高分别作为原始数据和设计面数据导入，方格网宽度按照甲方要求设置为5m。其中，设计面应按照实际测得清淤后数据为准，需要事先将清淤后标高数据建立DTM模型，存为三角网文件(*.sjw)，以此文件作为设计三角网文件。设置好计算参数后，软件自动对测区进行自动5×5m格网划分，并计算出每个格网的填挖方量，最终统计出全部格网的填挖方数据，汇总得到完整的清淤工程量。

图3 湖底标高测量工程图(局部)

图4 清淤土方量计算图(局部)

5 结语

通过对福州左海公园3个主要内湖进行湖底勘测，利用网络RTK和数字测深仪相联合的技术，实现了快速获取湖底三维地形数据的测量方式。采用新的测量手段大大提高了作业效率，为内业部门和设计方争取更多时间，节约测绘成本，同时也为开展水下地形测量提供新的解决方案。在此次水下勘测任务中，获得了城市内湖水下勘测的有益经验：

1)基于FZCORS的网络RTK联合数字测深仪集成技术，与传统RTK模式相比，在效率上有明显提高，节约人力成本，尤其适用于城市内湖等水域面积较大的开阔水域。

2)城市内湖多为人工湖，湖底地形较为平缓，采用方格网法计算清淤方量更为精确，为保证内业计算时数据量满足要求，在外业数据采集时可进行适当加密，采用事后抽稀的方式，获得最终湖底标高。

3)数字测深仪的测深精度与信号反射直接相关，水下环境复杂且不可见，因此，在进行实际作业前，需要对测深仪的测深数据和实际深度进行对比，调节测深仪的信号频率，根据水深回波信号进行增益调整，确保实际测量时能够获取准确数据。

4)根据采集的湖底大地坐标，利用似大地水准面精化模型进行高程异常改正，可快速获取正确的湖底高程数据，节约外业时间和缩短作业周期。

该作业模式不仅可在城市内湖清淤中应用，在城市内河、港口疏浚工程，以及日常航道的维护管理中都可以应用。

[1] 李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2005.

[2] 国家质量技术监督局.GB12327-1998海道测量规范[S].北京:中国标准出版社,1999:405-408.

[3] 陈琳,皱为彬,冉启兵.福州市连续运行参考站网数据处理技术研究[J].福建工程学院学报，2010,8(1):28-30.

[4] 李军正,郝金明,李建文.GPS虚拟参考站原理及实测精度验证分析[J].测绘工程,2009,18(4):21-23.

[5] 程剑刚.网络RTK联合声波测深仪在水下地形测量中的应用[J].测绘工程,2014,23(3):63-65.

[6] 陈黎阳.土方测量计算方法比较研究[J].现代测绘,2010,33(5):36-38.

[7] 吴敬文,周丰年,赵辉.基于格网节点的土方量计算方法研究[J].测绘通报,2006(11):43-45.

The Application of FZCORS and Digital Sounder Integrated Technology in Urban Lake Dredging

LIANG Zhao-yang

(DepartmentofRoadengineering，FujianChuanzhengCommunicationsCollege，Fuzhou350007，China)

Underwater topographic map plays an important role for city construction，channel dredging，lake dredging.This paper introduces the basic principles and the components of global navigation satellite system in continuously operating reference station system in Fuzhou city(FZCORS)，the technology integration of Network RTK model and digital depth sounder，the basic principles on square grid earthwork calculation method.Taking Zuohai lake dredging in Fuzhou as an example，discusses the application of FZCORS and digital depth sounder integrated technology in urban lake dredging，and draws some conclusions of this technology.

CORS；digital depth sounder；network RTK；earthwork；dredging

2017-03-01

梁昭阳(1985-)，男(汉)，福建三明，硕士，工程师 主要研究工程测量。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.023

P229

A

1009-8984(2017)02-0096-04