王 晓 平

(上海市测绘院，上海　200063)

1　概述

随着水下资源的不断开发，建筑物、构筑物等除了从陆地向天空发展之外也开始往水下发展，水下需要精确定位的方面也越来越多。河道一般采用RTK加测深杆和测深锤的方法，水下地形测量方法一般有RTK、回声测速仪配合验潮站进行水位改正模式，也有无验潮站测水深的方式。

水下点位的精确测量一般海洋水下工程公司做得比较多，在码头建设等方面需求广泛，一般也都需要施工来配合测量，否则测量工作难以开展，比较常见的测量仪器设备还是高精度全站仪、GPS-RTK、钢尺等。最传统的方式还是利用测深杆、钢尺等进行测量，但安全、精度、工作强度和工作量都会受到很大的挑战。本文将从一个码头基建项目的水下点位三维坐标精准测量介绍一种利用几何关系来测量和计算的方法。

2　水下三维坐标精确测定的难点

项目位于广州市黄浦区东南部珠江口内的北岸，需要对其布设于水下的探头孔位坐标进行精确测量。水下孔位分布于东西长160 m，南北宽20 m范围内的水下。

其中纵向有40条轴线，横向有7条轴线，共280个孔位。水深在落潮时约14 m～15 m，测区内每12 h涨落潮一次，最高潮位与最低潮位相差约5 m。需要测量水下探头孔位的三维坐标，坐标精度要求为±5 cm。

待测点位全部位于水下，无法直接目视或接触，使用常规的测量手段便捷地获得大量点位的精确坐标。基础施工的时候也有误差，水下点位也不在一个平面上。

3　测量方法上的创新

3.1　方法设想

针对本测区的特点和难点，主要思路还是想通过测量位于水面上的2点坐标来推算水下点位的三维坐标，水面上的测量容易保证精度，水面上的点和水面下的点发生联系也不难，但这种关系必须要是稳定、可靠而且可量算的。

因为施工时为了后期的方便就在一些孔位上拉了硬度较好的钢丝，而且在孔位上扣钢丝的设备非常便捷，于是用有定长刻度的钢丝扣在每一个水下孔上，刻度必须保证延伸出水面，一般设计在25 m左右，比水深大10 m以上。这样在钢丝上挂两个棱镜，一个棱镜挂在刻度位置，利用空间几何的原理推算出直线方程，根据钢丝长度就可以算出钢丝末端的坐标，即孔位的三维坐标，就这样，非接触的间接测量方法可以实现目的，并达到精度要求。

3.2　设备和软件考量

要保证水面以上的测量精度，能高尽量高，且考虑到环境的复杂性，需要仪器有迅速捕捉和自动观测的能力。考虑到观测的时效和同一根钢丝两个棱镜对直线推导的关联性，因为存在钢丝晃动，所以要求两台全站仪分别对各自的目标点位同时观测，以保证水下点位的坐标尽可能少受钢丝绳的晃动带来的时间差影响。用计算机软件自动控制2台智能全站仪进行同步观测，并迅速对观测得到的数据做出判断并剔除不满足条件的成果。

专门制作可在水面上纵向滑动的测量辅助装置，测量时需要在该装置上固定一根装有五组三面反射片的钢丝绳，并且需要保证钢丝绳在测量时处于严格伸直的状态并尽可能减少钢丝绳的晃动量。

4　测量的具体流程设计与实施

水下点位坐标测量的主要流程为：

实际上，甘肃道地中藏医药产业的发展基础较好，部分产地企业已经具有医药基础研究和医药专利，但专利自用率不高，专利闲置较多，专利发展规划缺乏[13]，这更加证明，以高投入、高风险、高回报、研发周期长为特征的生物医药产业，必须向经济相对发达和专业智力密集的地区聚集，而兰州生物医药产业基地的发展确实有条件担当这一使命。因此，一方面要充分利用甘肃道地中、藏医药资源优势，以好药材保证好药品；另一方面要进一步增强与国内外知名医药企业和研究机构的联合协作，在区域性大尺度空间逐步形成从道地中、藏医药资源产地到医药产品市场的覆盖全产业链的广泛联动发展网络。

在已建码头上建立设站(图1中测站1，测站2，测站的三维坐标已知)。

钢丝按一定比例线段安装目标点(图1中的P1上，P2下)，P1安装在钢丝固定刻度上。

两台全站仪同时测量P1，P2的三维坐标，求解(实时)水下安装定位点P点三维坐标。

移动引张钢丝，P1，P2测量三组坐标，求解三次水下定位点坐标，最后，用三次坐标值解取其算术平均值，中间有粗差或者某1个超过平均值±2.5 cm的，则加测，以最终平均值作为水下安装定位点P点三维坐标(X，Y，H)。

图1中(P1上和P下连线)是在待安装探头井中点上固定并引一根强度高的钢丝；钢丝从水下向水面引张。

5　精度控制和质量保证

5.1　精度控制措施

为了保证精度提升数据的可靠性，观测过程中做了大量的改进以做到精度保证：

两台全站仪同时观测，以消除仪器测量时的前后时差，减小风力的影响，确保观测的上下两个反射片和水下待测点始终在一条直线上；

在全站仪内设置好测量模式，每一组数据都要测量三次然后取平均值，如果其中一次的数据相差较大则要重新测量，直至三次测量的结果相差较小后才计算保存为最后的结果；

每一个水下的待测点观测三组数据，每组数据的空间直线方程不同，即水下的待测点保持不动而将钢丝绳上端分别挂在不同的三个滑轮上，尽量垂直以减少水流影响。三组数据计算的结果相互之间的差别不能超过本次项目限差要求；

为了减小上下两段的比例误差，尽可能把上段两个反射片的距离加大，这样就可以将上下两段的比值提高，使直线方程更精确，从而提高测量精度。

在测量的过程中每天均需复测控制点坐标，以检查控制点是否有位移，也可增加自由设站模式，减少对点误差(因为没造观测墩)，用5个～6个点进行后方交会，剔除粗差后得到测站坐标，再以其中一个加密控制点为后视进行观测。

5.2　其他质量保证措施

固定测量人员和仪器以尽可能减少误差，固定时间段按基本相同的路线，以减少温度、湿度的影响，用相同的测试方法进行测试，以减少不同方法间的系统误差。

仪器除了法定计量检测机构进行校验，经检验合格并在有效期内方可使用，在每天测量之前均应对所使用的仪器进行自检，并详细记录自检情况。

对棱镜安装位置和钢丝保持常态化检查，对目标点、测站点进行保护措施，避免受到施工影响。

6　比较与结论

进行抽检，部分复检和校核成果如表1所示。

表1　抽检坐标对比表

表1表明，这种方法能够精确测定水下建(构)筑物的三维坐标，能够保证坐标在±5 cm的限差内。