一種基于似大地水準(zhǔn)面精化的無驗(yàn)潮水深測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種狹長區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化的無驗(yàn)潮水深測量方法，屬于無驗(yàn)潮 水深測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在海面上進(jìn)行水深測量受到波浪，潮汐的影響，原始水深數(shù)據(jù)需要經(jīng)過換能器吃 水、聲速、涌浪、水位等歸算改正才能得到相對于某一固定基面的圖載水深（理論深度基準(zhǔn) 面）。無論是單波束、多波束等測深方式，使用傳統(tǒng)有驗(yàn)潮測量方式，水深測量的最終精度受 換能器動(dòng)態(tài)吃水、實(shí)測水深、涌浪、潮位等因素影響垂直方向的精度。
[0003] 首先，測量船在行進(jìn)時(shí)，由于涌浪的影響，難以準(zhǔn)確分離并測量換能器的動(dòng)態(tài)吃 水。其次，傳統(tǒng)有驗(yàn)潮方法需要沿岸水位或水上臨時(shí)站的觀測水位數(shù)據(jù)來內(nèi)插出測區(qū)任意 點(diǎn)的水位。在潮汐性質(zhì)掌握不夠充分的測區(qū)，只有設(shè)置比較多的臨時(shí)或長期驗(yàn)潮站才能嚴(yán) 格、有效地控制測區(qū)的潮汐變化，然而資源過度投入將在所難免。由于涌浪影響造成船只上 下?lián)u晃，也必須對其進(jìn)行補(bǔ)償改正。因此，盡管現(xiàn)在水深測量設(shè)備具有很高的精度，但傳統(tǒng) 有驗(yàn)潮方法的這幾項(xiàng)誤差嚴(yán)重制約了水深測量精度的提高。
[0004] 在上世紀(jì)90年代初期，隨著美國GPS的引進(jìn)，GPS因其精度高、全天候等優(yōu)點(diǎn)廣泛 應(yīng)用于陸地測繪中，水下測量工作者也開始嘗試將GPS用于水深測量定位。隨著GNSS差分 技術(shù)（常規(guī)RTK技術(shù)）的發(fā)展，GNSS提供的實(shí)時(shí)定位精度和穩(wěn)定性得到了很大的提高，越 來越多的水下測量工程都使用這一技術(shù)進(jìn)行定位。利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn) 行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System，CORS)已成為城 市GPS應(yīng)用的發(fā)展熱點(diǎn)之一。CORS的建立可以大大提高測繪的速度與效率，降低測繪勞動(dòng) 強(qiáng)度和成本，省去測量標(biāo)志保護(hù)與修復(fù)的費(fèi)用，節(jié)省各項(xiàng)測繪工程實(shí)施過程中約30 %的控 制測量費(fèi)用。無驗(yàn)潮測深技術(shù)利用RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位獲取所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)，高程的精度 同樣可以達(dá)到厘米級，滿足水深測量的工作要求。與傳統(tǒng)方法相比，無驗(yàn)潮系統(tǒng)具有獨(dú)特 的優(yōu)勢：（1)無需人工設(shè)立水尺進(jìn)行水位測量，節(jié)約成本；（2)不受晝夜影響，可進(jìn)行全天候 作業(yè)；（3)有效消除了動(dòng)吃水及涌浪等誤差因素影響；(4)避免了有驗(yàn)潮水位內(nèi)插改正的誤 差，可得到即時(shí)水位。
[0005] 目前無驗(yàn)潮測深技術(shù)已成為水深測量的研宄熱點(diǎn)之一。但網(wǎng)絡(luò)RTK測量方式測出 的高程是WGS-84大地高，在無驗(yàn)潮水深測量中需要的高度基準(zhǔn)是85正常高，因此需要進(jìn)行 高程轉(zhuǎn)換。目前小區(qū)域范圍內(nèi)的使用都是基于七參數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)與高程系統(tǒng)的精 確轉(zhuǎn)換。高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換問題限制了無驗(yàn)潮測深技術(shù)的廣泛大力應(yīng)用。因此需要結(jié)合CORS 進(jìn)行區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化。由于長江地形成狹長型，使用傳統(tǒng)的高程擬合方法難以有效 的進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化，且與海洋測量大多采用中小比例尺成圖不同，內(nèi)河航道多為大 比例尺測圖，對水位的精度要求更高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于似大地水準(zhǔn)面 精化的無驗(yàn)潮水深測量方法，其無需驗(yàn)潮站水位數(shù)據(jù)，適用范圍更廣，同時(shí)水深測量的精度 和效率高。
[0007] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于似大地水準(zhǔn)面 精化的無驗(yàn)潮水深測量方法，將網(wǎng)絡(luò)RTK測得的WGS-84大地高通過分段二次曲面結(jié)合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行高程擬合轉(zhuǎn)換到85正常高，得到的85正常高減去GPS天線至水高得到 水面正常高程，水面正常高程結(jié)合測深儀換能器測得的水深數(shù)據(jù)，最終得到水底85高程數(shù) 據(jù)；或者將網(wǎng)絡(luò)RTK測得的WGS-84大地高減去GPS天線至水高得到水面正常高程，將該水 面正常高程通過分段二次曲面結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行高程擬合轉(zhuǎn)換到85正常高，得到 的水面85正常高結(jié)合測深儀換能器測得的水深數(shù)據(jù)，最終得到水底85高程數(shù)據(jù)；或者將網(wǎng) 絡(luò)RTK測得的WGS-84大地高減去GPS天線至水高，得到水面正常高程，將該水面正常高程 結(jié)合測深儀換能器測得的水深數(shù)據(jù)，得到水底84高程數(shù)據(jù)，將該水底84高程數(shù)據(jù)通過分段 二次曲面結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行高程擬合水底85高程數(shù)據(jù)。
[0008] 所述網(wǎng)絡(luò)RTK測得的WGS-84大地高的方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟101，儀器安裝：將換能器與GPS天線分別固定在桿子的兩端，并在船沿垂直 固定桿子使得換能器能夠吃水，將換能器與GPS天線分別連接到測深儀上；
[0010] 步驟102,打開測深儀，新建任務(wù)，選擇WGS-84橢球，采用4參數(shù)進(jìn)行平面轉(zhuǎn)換；
[0011] 步驟103,量取GPS天線至水高，輸入到測深儀導(dǎo)航軟件中；
[0012] 步驟104,進(jìn)行導(dǎo)航軟件的基本設(shè)置：如記錄限制設(shè)置、記錄設(shè)置、定位儀端口設(shè) 置、定位儀數(shù)據(jù)格式設(shè)置、船形設(shè)置；其中記錄限制必須選擇"RTK固定解"，記錄格式選擇 經(jīng)煒度格式記錄，并調(diào)入計(jì)劃線；
[0013] 步驟105,進(jìn)行測深軟件的基本設(shè)置：吃水、聲速、增益、功率；
[0014] 步驟106,測深軟件中手動(dòng)點(diǎn)擊"記錄水深數(shù)據(jù)"，導(dǎo)航軟件中設(shè)置好測線名，點(diǎn)擊 "開始測深"，得到原始水深文件。
[0015] 通過分段二次曲面結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行高程擬合轉(zhuǎn)將WGS-84大地高轉(zhuǎn)換到 85正常高的方法，包括以下步驟：
[0016] 步驟201，假設(shè)區(qū)域內(nèi)共有η個(gè)高程值點(diǎn)，其中Ii1個(gè)高程異常值已知點(diǎn)，則待求高 程異常值未知點(diǎn)的個(gè)數(shù)η 2= η-η 1;其中，高程異常值已知點(diǎn)η 1大于等于8 ;
[0017] 步驟202,根據(jù)Ii1個(gè)高程異常值已知點(diǎn)，對高程異常值已知點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行中心化處 理，即計(jì)算參與擬合控制點(diǎn)經(jīng)煒度的平均值，然后計(jì)算各點(diǎn)與此平均值的差值（ΔΒ，AL); 采用二次曲面法擬合出所有點(diǎn)的高程異常值ζ ^ ;其二次曲面擬合高程異常的公式為：
[0018] ζ (x, y) = a0+a1 Δ B+a2 Δ L+a3 Δ B2+a4 Δ B Δ L+a5 Δ L2
[0019] 式中：Δ B = Β_Β。，Δ L = L_LQ;a。、S1、a2、a3、a 4、a5為待走參數(shù)；B 為經(jīng)度，B。為經(jīng) 度平均值，L為煒度，Ltl為煒度平均值；
[0020] 步驟203,計(jì)算化個(gè)高程異常值已知點(diǎn)的高程異常偏差Λ ζ = ζ ;其中ζ。 為已知值點(diǎn)的高程異常真值，ζ'為二次曲面法擬合出的高程異常值；
[0021] 步驟204,構(gòu)造一個(gè)五層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共設(shè)五層，分別為輸入轉(zhuǎn)換 層、輸入層、隱含層、輸出層和輸出轉(zhuǎn)換層；采用Sigmoid標(biāo)準(zhǔn)激活函數(shù)f(x)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其 標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出數(shù)據(jù)限定范圍為[0, 1]，求得各未知點(diǎn)的高程異常值ζ。
[0022] 所述步驟204五層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造方法，包括以下步驟：
[0023] 步驟2041，將化個(gè)已知點(diǎn)的所有信息構(gòu)成學(xué)