中国法分类号：P228.1 文献标志码：A
在水文测量中，经常会涉及到水下测量。现代水下测量可分为如下3种基本模式：传统模式、涌浪补偿辅助的测量模式和RTK三维水深测量模式。
传统模式虽然简单可靠，但在滩涂大潮位站布设困难或测区呈现带状需布设众多水位站的区域则难以实施。而涌浪补偿辅助测量械当工作水域超出了验潮站的有效作用范围或因无法设置更多验潮站而不能获取验潮资料时，难以实施。RTK模式基于GPS无验潮测量的方式对GPS数传的稳定性要求很高，需要得到100%的载波相位差分解计算，才能实现厘米级的高程定位精度，且传感器众多、投入大、数据处理非常复杂，影响测量成果的因素众多。因此，上述3种模式均存在一定的局限性。
为了解决这一难题，本文采用GPS验潮的方法，在很大程度上能弥补以上作业模式的不足之处；不需要采用复杂的传感器，省了常规验潮站的布设工作，既可采用GPS自主差分技术，也可采用目前正在积极发展中的GPS网络差分技术（CORS系统），具有实施简单、快速、可靠等特点，本文将其称之为基于GPS验潮的水下测量模式。
1 水下地形测量
GPS差分测量可以非常精确地测定两点之间的相对高差，小区域范围内，通过该高差便可反算出流动站GPS相位中心的高程，该高程同基准站具有相同的高程基准面。
当测区范围较大时（>5km），一般需在测区布设GPS控制网，并联测其高程，采用布尔莎七参数转换模型和高程异常模型，计算测区的WGS-84至当地坐标系间的转换参数。通过转换参数将流动站相位中心的瞬时WGS-84坐标转换为当地坐标和正常高。在数十平方千米的范围内，这种作业模式已被证明是行之有效的，且能够确保测量成果的精度。
获得了连续流动站GPS相位中心的瞬时高程之后，根据GPS天线与水面的高差关系，通过数据处理便可得到连续的水面高度信息，进而实现GPS验潮测量。
基于GPS潮位的水下地形测量，其核心是利用GPS潮位替代传统潮位，为水下地形测量提供瞬时在航潮位，结合水深计算水下测点平面位置和高程。
1.1 基于自主差分的GPS潮位水下地形测量
实验水域选择在长江干流河口某测区（图1），该测区受潮水影响，每天潮水两涨两落，涨潮历时约4h，落潮历时约8h。测区位于长江南岸，上、下游设有自记水位站，水位站间距约10km，两水位站间潮时差不大于30min，同时刻潮位差不大于0.3m。
测区附近布设了E级GPS控制网，每个网点联测了四等水准高程。在进行水下地形测量时，基准站设置在E级GPS控制点上，流动台GPS天线与测深仪探头位于同一垂线上，测量前精确测定了GPS相位中心到水面的距离，采用HYPACK测量软件同步采集实时动态定数据和水深数据，测区上、下游的验潮站每间隔10min自动记录1次水位值并存储。
图1 实验水域
数据处理时，根据上、下游连续的潮位观测值，计算出每时刻测船所在位置的水位，计算模型为距离加权法，计算的数学公式如下[1]：
式中，A水位为A水位站在某时刻的水位；B水位为B水位站在某时刻的水位；Spa为P点距A水位站作用线的垂直距离；Spb为P点距B水位站作用线的垂直距离（图2）。
将根据上述方法得到的测船处连续的水位值抽稀成间隔10min的数据，将其与GPS测得的对应时刻的水面高程数据进行对比（如表1所示）。从表1可以看出，将GPS方法测量出的水面高程经过适当的数据处理可以得到满意的效果。事实上，在测量中由于船体的横摇、纵摇和升沉变化引起GPS相位中心与水面的差值呈现波浪状（如图3所示）。从图3可以看出，这种波动幅度不超过10cm，波动周期小于10s，考虑到感潮河段潮水变化的特点，在1min内潮位变化很小，且实际变化趋势呈线性变化，以1min的均值能较好地削弱船体姿态的影响，得到的中间时刻的水面高程与根据潮位站推算出的潮位高程极为接近，其差异的均方差为0.037m。
图2 潮位内插
表1 两种方法测量出的水面高程对比 m
图3 GPS相位中心垂直方向的变化幅度
由于水下测点的高程为瞬时潮位与水深的差值，故两种方法得到的水位差异就是水下高程点结果的差异。在长达4h的测量时间内，由于GPS一直保持良好的RTK状态，两种方法得到的测量结果高度接近。
为了考察采用两种不同方法得到的水下测点高程的差异，分析是否存在系统偏差以及差异的分析特点，将两种方法测得的某区域水下地形图形成残差影像图，如图4所示。
由图4可以看出，采用以上两种不同方法得到的水下测点的结果差异分布呈现随机性，没有明显的系统误差存在，而且两者之间的差异一般不超过0.10m，其差异量值优于测深精度要求，说明了采用基于自主差分的GPS潮位的可行性和可靠性。
1.2 基于网络差分的GPS潮位水下地形测量
仍以节1.1中的测区为研究对象，在测区范围内设置一个临时验潮站，采用人工观测水位，测量当天风力小于三级，水域水面平静，测量条件极佳。
利用江苏省卫星定位参考综合服务系统（简称JSCORS）定位。该系统全省域的高精度、高时空分扁率、高效率、高覆盖率的全球导航卫星系统综合信息服务网、在江苏省域内任何地方都可随时得到厘米级的高精度定位服务。
在水下测量时，流动台的GPS天线与测深仪探头位于同一垂线上，测量前精确测定了GPS相位中心到水面的距离，采用HYPACK测量软件同步采集实时动态定位数据和水深数据，测区内每隔5min人工观测记录1次水位值。
图4 两种测量方法得到的水下测点差异分布（单位：m）
在测量过程中，GPS在90%的时间内处于RTK定位状态，每次处于非RTK定位状态的持续时间不超过5min。由于测量范围不大，船只在走航测量过程中，离水位站的距离不超过2km，根据该河段的潮水特点，可以认为每时刻的测船所处位置与水位站处的水位是相同的。将测船GPS测量出的水面大地高计算整理，又通过与水准点的比测得到该区域的高程异常值，从而能够计算出GPS每时刻测量出的水面正常高，以1min的均值作为该时刻GPS的测量值，将其与人工观测的水位比较，得到表2。
从表2可以看出，得到的水面高程与根据潮位站推算出的潮位高程极为接近，其差异的均方差为0.029m。
考虑采用两种不同方法得到的水下测点高程的差异，可以得到类似于图4中的结果，采用以上两种不同方法得到的水下测点的结果差异分布呈现随机性，没有明显的系统误差存在，而且两者之间的差异一般不超过0.10m，其差异量值优于测深精度要求，说明了在小区域内采用基于网络差分的GPS潮位的可行性和可靠性。
表2 某日内GPS高程异常法测量与人工潮位观测对比 m
2 结论及建议
（1）若潮位资料不具备，利用传统的水下地形测量方法将不能获得水底点高程，而本文所述方法，无需常规验潮便可完成水下地形测量的整个工作，因而，相对传统的测量方法，该法具有方便、快捷和简单等特点。
（2）RTK模式下的GPS验潮技术理论严密，通过简单数据处理所确定的GPS水面高程测量精度与常规潮位观测精度相当。小范围内的自主差分和网络差分所获得的GPS水面高程误差远小于规范允许的测深误差，因此具有很强的可操作性和可行性。
参考文献：
[1] 周丰年，周才扬.水下地形测量中动态差分GPS测定船体姿态的实验研究[J].江苏测绘，2000，（2）.
作者简介: 吴敬文, 男, 高级工程师, 硕士, 主要从事水文勘测研究工作。
