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摘?要 本文主要介绍了目前采用的水深测量方法的优势与缺点，结合第三代全数字变频测深仪所采用的GPS定位和水深测量一体化的基本方法、思路。
关键词 GPS；水深测量；全数字变频
中图分类号 P228 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）111-0167-01
进入21世纪，人类无论是开发河流湖泊还是开发利用海洋，都离不开水下地形测量这种基础性的测绘工作。如：海底管线的铺设，首先就需要获得水下地形图海洋上，航道的选择需要了解水下障碍物的情况，这也需要水下地形图港口的清淤、整治工程也需要水下地形图。可见其重要性。
定位和测深是水下地形测量最基本的内容，构成了水下地形测量的两大主题。
在水面上定位先后出现了天文定位、六分仪定位、经纬仪定位、无线电双曲线定位、物理测距定位、水下声标定位、全站仪定位、GPS定位等方法。目前，最常用的是全站仪定位和GPS定位。全站仪测量定位仅适用于港口及沿岸。而GPS定位具有全覆盖、全天候、高精度的特点，特别是RTK的定位精度可达厘米级，在水上定位得到了广泛的应用。
测深方面先后出现了测深杆、测深锤、回声测深仪、双频测深仪、精密智能测深仪、多波束测深系统、侧扫声纳、机载激光测深和遥感测深等方法。另外，美国、澳大利亚、加拿大、前苏联和瑞典等国相继研制出机载激光测深系统，其穿透深度为50～100米，测深精度为±0.3～±1米不过测量深度较浅（小于7米），一般用于海洋调查。从海洋测深角度来看，单波束精密测深仪和多波束测深系统是重要的测深设备，分别适用于浅海区和深海区。
水下地形测量硬件发展的同时，软件也得到了飞速的发展，国内外相继出现了各种水下地形测量软件。具有代表性的是美国Coast2Oceanographics公司开发的Hypack ，其用户覆盖全球权威水文测量机构，诸如美国和欧洲各国海岸警备队、NOAA、各国海事局及大学研究机构等。不过，Hypack也有不足之处：一是价格昂贵；二是软件复杂，需要对施工人员进行培训；三是软件中不能自主添加功能等等。南方测绘仪器有限公司开发的自由行软件是一款优秀的国产水下地形测量软件。它紧密结合国内用户需求，操作简单、功能齐全、可扩展性好，可满足水下地形测量、江河航道测量、工程勘探定位、港口引航、物探钻探及地震放样的需求。
水下地形测量的基本任务是测定水底地形点的平面坐标及该点的海拔高程，平面坐标一般由GPS接收机负责测定。由于GPS接收机测定的是WGS-84大地坐标。所以必须将WGS-84的大地坐标转换为最终所需的平面坐标。空间直角坐标系XYZ1至XYZ2的相似变换一般有三个平移参数，三个旋转参数，一个缩放参数，共七个参数，所以俗称七参数。提到七参数需要注意两个问题：一是模型问题，在我国常用布尔莎模型，但这并不是唯一的模型，实际应用时必须考虑到这种差异会导致计算结果不一致，甚至大相径庭；二是转换方向问题，比如：有一套WGS-84与北京54之间的七参数，使用这套参数前必须清楚它是从WGS-84转换到北京54的还是相反的情况，这两种情况计算出来的结果相差会很大。
GPS测得的坐标是WGS-84大地坐标L、B、H，直接使用大地坐标
是很不方便的。如：给定A、B点的大地坐标，如何计算A至B的方位和距离？解决的办法就是将A、B点按一定的规则转换到一个平面内，这个转换规则就是地图投影。
地图投影有很多方式，如：等角投影、等距投影、等积投影。每种方式都有若干的计算方法，在此就不一一介绍了。其中应用最广泛广泛的高斯——克吕格投影。
水底地形点的高程一般有两种方法获得：一是通过GPS高程传递到水底，这种高程被称为无验潮高程；二是通过水文站观测的水面高程传递到水底，这种高程被称为验潮高程。无验潮高程计算很简单，而且可以实时获得，但是由于大地水准面的复杂性导致有时推算出来的正常高精度很差，特别在山区，这种情况尤其明显。所以，验潮高程的计算还是很重要的。验潮高程有静态验潮模型和动态验潮模型[36]，常用的是静态验潮模型。静态验潮模型中，计算验潮高需要多个坐标已知的水文站，每个水文站每隔一段时间都要测量一下水面高程。计算任一时刻t、任一位置（x，y）水面高程的步骤如下：
1）根据水文站观测资料内插计算出时刻t各个水文站的水面高程Hi。
2）根据各个水文站的坐标（xi，yi）及水面高程Hi计算出（x，y）的水面高程H。计算方法与高程异常的计算类似，可以使用多项式模型、距离加权平均模型等。
在实际使用无验潮方式进行水深测量时，测量结果精度会由于船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成的误差的影响，这些误差远远大于RTK定位误差，从而成为无验潮方式水深测量精度提高的瓶颈因素。
动态吃水改正指的是测深船的静态吃水深度加上船体自重下沉和颠簸的总和，是需要求平均值的不定值，是精密水深测量的重要误差来源。船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数，通过专用的测量软件进行修正。GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度，现在大多数RTK方式下GPS输出率都可以高达20HZ，而测深仪的输出速度各种品牌差别很大，数据输出的延迟也各不相同。因此，定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到，也可以采用以往的经验数据。
RTK高程用于测量水深，其可靠性问题是倍受关注的问题。在作业之前可以把使用RTK测量的水位与人工水准观测的水位进行比较，判断其可靠性。为了确保作业精度，可从采集的数据中提取RTK高程信息绘制水位曲线。根据曲线的平滑程度来分析RTK高程有没有产生个别或部分点出现急剧升高或降低的情况，然后使用修正的方法来改正个别高程存在错误的点。
本文对水下地形测量中的有关理论和技术问题进行了部分的研究，并对以后的水下地形测量方向进行了探讨。
1）测量数据的时间延迟问题。测量数据是通过串口传到软件内的，这期间必定有时间延迟，这在高精度水下地形测量中是不可忽视的。若将时间延迟当作随机变量，则它符合什么分布？它的期望值、方差值如何测定？如何在软件中消除？这些都是值得进一步研究的问题。
2）水下地形测量中，各种因素对测量结果的影响及解决、改正方法需要深入研究。
3）测深数据粗差的自动剔除问题需要深入研究。卫星定位技术、测深技术、计算机技术都在不断的向前发展，新技术的出现将对水下地形测量有着深远甚至是革命性的影响。跟踪了解相关新技术并将其应用于水下地形测量、促进水下地形测量的发展将是一件很有意义的事情。
参考文献
[1]汪志明.差分GPS和测深仪组合系统在水下地形测量中的应用研究[J].武汉大学，2003.
[2]王飞，尹晓彬.水深平差系统设计及其在水深测量中的应用[J].江西理工大学学报，2006.
[3]高成发，赵毅.差分GPS水深测量系统在港口工程中的应用[J].测绘工程，2004.
[4]高成发，梁同好，张贤明，王庆，万德均.差分GPS水深测量系统在航道普查工程中的应用[J].水运工程，2003.
[5]刘雁春.海洋测深空间结构及其数据处理[J].测绘出版社，2003.
关键词 GPS；水深测量；全数字变频
中图分类号 P228 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）111-0167-01
进入21世纪，人类无论是开发河流湖泊还是开发利用海洋，都离不开水下地形测量这种基础性的测绘工作。如：海底管线的铺设，首先就需要获得水下地形图海洋上，航道的选择需要了解水下障碍物的情况，这也需要水下地形图港口的清淤、整治工程也需要水下地形图。可见其重要性。
定位和测深是水下地形测量最基本的内容，构成了水下地形测量的两大主题。
在水面上定位先后出现了天文定位、六分仪定位、经纬仪定位、无线电双曲线定位、物理测距定位、水下声标定位、全站仪定位、GPS定位等方法。目前，最常用的是全站仪定位和GPS定位。全站仪测量定位仅适用于港口及沿岸。而GPS定位具有全覆盖、全天候、高精度的特点，特别是RTK的定位精度可达厘米级，在水上定位得到了广泛的应用。
测深方面先后出现了测深杆、测深锤、回声测深仪、双频测深仪、精密智能测深仪、多波束测深系统、侧扫声纳、机载激光测深和遥感测深等方法。另外，美国、澳大利亚、加拿大、前苏联和瑞典等国相继研制出机载激光测深系统，其穿透深度为50～100米，测深精度为±0.3～±1米不过测量深度较浅（小于7米），一般用于海洋调查。从海洋测深角度来看，单波束精密测深仪和多波束测深系统是重要的测深设备，分别适用于浅海区和深海区。
水下地形测量硬件发展的同时，软件也得到了飞速的发展，国内外相继出现了各种水下地形测量软件。具有代表性的是美国Coast2Oceanographics公司开发的Hypack ，其用户覆盖全球权威水文测量机构，诸如美国和欧洲各国海岸警备队、NOAA、各国海事局及大学研究机构等。不过，Hypack也有不足之处：一是价格昂贵；二是软件复杂，需要对施工人员进行培训；三是软件中不能自主添加功能等等。南方测绘仪器有限公司开发的自由行软件是一款优秀的国产水下地形测量软件。它紧密结合国内用户需求，操作简单、功能齐全、可扩展性好，可满足水下地形测量、江河航道测量、工程勘探定位、港口引航、物探钻探及地震放样的需求。
水下地形测量的基本任务是测定水底地形点的平面坐标及该点的海拔高程，平面坐标一般由GPS接收机负责测定。由于GPS接收机测定的是WGS-84大地坐标。所以必须将WGS-84的大地坐标转换为最终所需的平面坐标。空间直角坐标系XYZ1至XYZ2的相似变换一般有三个平移参数，三个旋转参数，一个缩放参数，共七个参数，所以俗称七参数。提到七参数需要注意两个问题：一是模型问题，在我国常用布尔莎模型，但这并不是唯一的模型，实际应用时必须考虑到这种差异会导致计算结果不一致，甚至大相径庭；二是转换方向问题，比如：有一套WGS-84与北京54之间的七参数，使用这套参数前必须清楚它是从WGS-84转换到北京54的还是相反的情况，这两种情况计算出来的结果相差会很大。
GPS测得的坐标是WGS-84大地坐标L、B、H，直接使用大地坐标
是很不方便的。如：给定A、B点的大地坐标，如何计算A至B的方位和距离？解决的办法就是将A、B点按一定的规则转换到一个平面内，这个转换规则就是地图投影。
地图投影有很多方式，如：等角投影、等距投影、等积投影。每种方式都有若干的计算方法，在此就不一一介绍了。其中应用最广泛广泛的高斯——克吕格投影。
水底地形点的高程一般有两种方法获得：一是通过GPS高程传递到水底，这种高程被称为无验潮高程；二是通过水文站观测的水面高程传递到水底，这种高程被称为验潮高程。无验潮高程计算很简单，而且可以实时获得，但是由于大地水准面的复杂性导致有时推算出来的正常高精度很差，特别在山区，这种情况尤其明显。所以，验潮高程的计算还是很重要的。验潮高程有静态验潮模型和动态验潮模型[36]，常用的是静态验潮模型。静态验潮模型中，计算验潮高需要多个坐标已知的水文站，每个水文站每隔一段时间都要测量一下水面高程。计算任一时刻t、任一位置（x，y）水面高程的步骤如下：
1）根据水文站观测资料内插计算出时刻t各个水文站的水面高程Hi。
2）根据各个水文站的坐标（xi，yi）及水面高程Hi计算出（x，y）的水面高程H。计算方法与高程异常的计算类似，可以使用多项式模型、距离加权平均模型等。
在实际使用无验潮方式进行水深测量时，测量结果精度会由于船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成的误差的影响，这些误差远远大于RTK定位误差，从而成为无验潮方式水深测量精度提高的瓶颈因素。
动态吃水改正指的是测深船的静态吃水深度加上船体自重下沉和颠簸的总和，是需要求平均值的不定值，是精密水深测量的重要误差来源。船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数，通过专用的测量软件进行修正。GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度，现在大多数RTK方式下GPS输出率都可以高达20HZ，而测深仪的输出速度各种品牌差别很大，数据输出的延迟也各不相同。因此，定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到，也可以采用以往的经验数据。
RTK高程用于测量水深，其可靠性问题是倍受关注的问题。在作业之前可以把使用RTK测量的水位与人工水准观测的水位进行比较，判断其可靠性。为了确保作业精度，可从采集的数据中提取RTK高程信息绘制水位曲线。根据曲线的平滑程度来分析RTK高程有没有产生个别或部分点出现急剧升高或降低的情况，然后使用修正的方法来改正个别高程存在错误的点。
本文对水下地形测量中的有关理论和技术问题进行了部分的研究，并对以后的水下地形测量方向进行了探讨。
1）测量数据的时间延迟问题。测量数据是通过串口传到软件内的，这期间必定有时间延迟，这在高精度水下地形测量中是不可忽视的。若将时间延迟当作随机变量，则它符合什么分布？它的期望值、方差值如何测定？如何在软件中消除？这些都是值得进一步研究的问题。
2）水下地形测量中，各种因素对测量结果的影响及解决、改正方法需要深入研究。
3）测深数据粗差的自动剔除问题需要深入研究。卫星定位技术、测深技术、计算机技术都在不断的向前发展，新技术的出现将对水下地形测量有着深远甚至是革命性的影响。跟踪了解相关新技术并将其应用于水下地形测量、促进水下地形测量的发展将是一件很有意义的事情。
参考文献
[1]汪志明.差分GPS和测深仪组合系统在水下地形测量中的应用研究[J].武汉大学，2003.
[2]王飞，尹晓彬.水深平差系统设计及其在水深测量中的应用[J].江西理工大学学报，2006.
[3]高成发，赵毅.差分GPS水深测量系统在港口工程中的应用[J].测绘工程，2004.
[4]高成发，梁同好，张贤明，王庆，万德均.差分GPS水深测量系统在航道普查工程中的应用[J].水运工程，2003.
[5]刘雁春.海洋测深空间结构及其数据处理[J].测绘出版社，2003.