基于RTK數(shù)字測(cè)深儀的水庫(kù)容量計(jì)量研究

買買提·塔什

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎車844700)

摘要：水庫(kù)情況調(diào)查是我國(guó)水利普查的重點(diǎn)任務(wù)。烏魯木齊共有32座水庫(kù)，由于庫(kù)底地形復(fù)雜，人工勘探很難掌握準(zhǔn)確的水庫(kù)容量。人工勘探不僅任務(wù)繁重，而且無(wú)法得出淤泥淤積量，這就限制了水資源的有效利用。目前，國(guó)外一般采用衛(wèi)星定位和探測(cè)儀對(duì)水下地形進(jìn)行勘探，勘探工作主要包括定位和探測(cè)。本文基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出一種利用網(wǎng)絡(luò)RTK(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法)的數(shù)字探測(cè)技術(shù)，快速獲得水下地形參數(shù)，并利用有限元軟件構(gòu)造精準(zhǔn)的三維水下模型，從而有效地對(duì)水庫(kù)容量進(jìn)行計(jì)量。希望對(duì)今后水庫(kù)容量的計(jì)量研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法；水庫(kù)容量；計(jì)量；探測(cè)

中圖分類號(hào)：TV697.3

Research on Reservoir Capacity Measurement Based on RTK Digital Sounder

Mamat·Tash

(TarimRiverBasinKashiAuthority,Shache844700,China)

Abstract：Reservoir condition survey is an important task in water census in China. There are a total of 32 reservoirs in Urumqi. Accurate reservoir capacity cannot be easily mastered by artificial exploration. Artificial exploration not only leads to arduous task on one hand, silt deposition amount cannot be obtained, thereby limiting effective utilization of water resources. Currently, satellite positioning and detector are generally adopted in foreign countries for exploring underwater terrain. Exploration work mainly includes positioning and detection. In the paper, a digital detection technology utilizing network RTK is proposed based on current domestic and foreign research status. Underwater terrain parameters can be rapidly obtained. Finite element software is utilized for constructing accurate three-dimensional underwater model, thereby effectively measuring reservoir capacity. It is expected that it can provide theoretical basis for measurement study of reservoir capacity in the future.

Keywords：RTK; reservoir capacity; measurement; detection

水庫(kù)情況調(diào)查是我國(guó)水利普查的重點(diǎn)任務(wù)，烏魯木齊共有32座水庫(kù)，是新疆水利普查工作的一部分。通過(guò)水庫(kù)容量探測(cè)可以準(zhǔn)確掌握水庫(kù)的基本情況，為該市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供水保障，但由于庫(kù)底地形復(fù)雜，人工勘探很難掌握準(zhǔn)確的水庫(kù)容量。目前，國(guó)外一般采用衛(wèi)星定位和探測(cè)儀對(duì)水下地形進(jìn)行勘探，勘探工作主要包括定位和探測(cè)。隨著空間定位技術(shù)的迅速發(fā)展，RTK技術(shù)逐漸被應(yīng)用到水利測(cè)繪中，其基本思想是：將GPS信號(hào)接收機(jī)安裝在地表的基準(zhǔn)點(diǎn)，其可以跟蹤視野內(nèi)一定角度范圍的所有衛(wèi)星，使未知點(diǎn)的接收機(jī)實(shí)現(xiàn)同步觀測(cè)[3-4]。RTK測(cè)量原理見(jiàn)圖1。

圖1　RTK測(cè)量原理

從國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展來(lái)看，水下地形勘測(cè)主要經(jīng)歷了原始水下測(cè)量階段、傳統(tǒng)水下測(cè)量階段、數(shù)字化測(cè)量階段。數(shù)字化測(cè)量具有探測(cè)深度大、后期數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是當(dāng)水庫(kù)中水草較多時(shí)，聲波很難做到精準(zhǔn)測(cè)量。此外，聲波對(duì)淤積層的穿透能力較弱，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的淤積厚度。本文提出一種利用網(wǎng)絡(luò)RTK的數(shù)字探測(cè)技術(shù)，快速獲得水下地形參數(shù)，并利用有限元軟件構(gòu)造精準(zhǔn)的三維水下模型，從而有效地對(duì)水庫(kù)容量進(jìn)行計(jì)量。希望對(duì)今后水庫(kù)容量的計(jì)量研究提供幫助。

1定位機(jī)理及系統(tǒng)組成

RTK技術(shù)的基本思想源于GPS定位技術(shù)，由衛(wèi)星發(fā)射帶有衛(wèi)星位置的電文信號(hào)，用戶使用的接收機(jī)可以同時(shí)接收3顆以上衛(wèi)星的電文。根據(jù)電文信號(hào)測(cè)量出測(cè)點(diǎn)P到這些衛(wèi)星的距離，并利用距離交會(huì)求解出P的坐標(biāo)。圖2為測(cè)量原理示意圖。

圖2　RTK技術(shù)測(cè)量原理

假設(shè)3顆衛(wèi)星的編號(hào)分別為S1、S2、S3，其與P點(diǎn)的距離分別是P1、P2、P3，3顆衛(wèi)星的坐標(biāo)分別是(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)、(X3，Y3，Z3)，則根據(jù)交匯法求P點(diǎn)坐標(biāo)(X，Y，Z)的方程組為

伴隨著RTK差分法的發(fā)展，21世紀(jì)以來(lái)，CORS技術(shù)開(kāi)始被用于衛(wèi)星定位領(lǐng)域，其是GPS的高級(jí)發(fā)展階段。CORS技術(shù)用于全球定位系統(tǒng)綜合服務(wù)應(yīng)用，由基準(zhǔn)站、無(wú)線電發(fā)射塔、網(wǎng)絡(luò)、路由器、硬件防火墻、交換機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。CORS技術(shù)功能強(qiáng)大，可以滿足不同客戶需求，既可滿足商用又可滿足氣象等研究領(lǐng)域。CORS技術(shù)作業(yè)時(shí)，參考站將原始數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制中心，控制中心根據(jù)用戶提供的概略坐標(biāo)捕捉并計(jì)算出實(shí)際位置。

圖3　CORS技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)就是基于CORS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，將衛(wèi)星定位、云存儲(chǔ)、數(shù)字通訊集于一體。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)使水庫(kù)容量測(cè)量工作成為一個(gè)整體，測(cè)量精度和可靠度較傳統(tǒng)RTK技術(shù)進(jìn)一步提高。

2水庫(kù)地形數(shù)據(jù)采集

2.1水上測(cè)量

按照測(cè)繪方案，將庫(kù)岸線按照1∶500的比例繪制工作地圖，利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量庫(kù)岸線高程。數(shù)據(jù)采集時(shí)，在三級(jí)導(dǎo)線以上的控制點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測(cè)站，測(cè)量方法與圖根控制測(cè)量方法相同。

高程的基準(zhǔn)點(diǎn)選取水面距離庫(kù)岸最小點(diǎn)，該點(diǎn)為庫(kù)岸的最低點(diǎn)。利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)確定高程基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，并依據(jù)該點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

獲得RTK網(wǎng)絡(luò)技術(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)后，要及時(shí)根據(jù)工作地圖上的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。認(rèn)真分析誤差原因，對(duì)于偏離實(shí)際情況較大的點(diǎn)要進(jìn)行二次測(cè)量。對(duì)于無(wú)法利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)測(cè)量的點(diǎn)，直接使用差分法和交會(huì)法進(jìn)行求解。

2.2水下測(cè)量

對(duì)庫(kù)岸進(jìn)行測(cè)繪之后，利用庫(kù)岸完成地形圖，為水庫(kù)庫(kù)底地形測(cè)繪工作奠定基礎(chǔ)。水下地形測(cè)量采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)與數(shù)字探測(cè)儀相結(jié)合。測(cè)繪員首先將庫(kù)岸地形導(dǎo)入電腦，按照測(cè)繪要求繪制測(cè)線，利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行定位，指導(dǎo)測(cè)量船只沿著測(cè)線行駛。在測(cè)量船只上可以清楚地顯示航行速度、水位深度、船只位置，并可以得知RTK是否定解。數(shù)字探測(cè)儀通過(guò)探頭向水庫(kù)底部發(fā)射超聲波，利用發(fā)射聲波與聲波返回的時(shí)間差計(jì)算水庫(kù)深度。由于超聲波速與水的溫度和壓力有關(guān)，因此勘測(cè)時(shí)要對(duì)波速進(jìn)行校正。水深測(cè)量系統(tǒng)方框圖見(jiàn)圖4。

圖4　水深測(cè)量系統(tǒng)方框圖

由于水面在不停波動(dòng)，這就給傳統(tǒng)的測(cè)量水位手段造成很大誤差。但是，由于RTK技術(shù)的定位速度很快，GPS的高程值也在動(dòng)態(tài)變化。波動(dòng)時(shí)探測(cè)儀的水深也隨高程值的變化而變化，因此水面波浪不會(huì)影響測(cè)量精度。當(dāng)測(cè)量船只發(fā)生傾斜時(shí)，GPS系統(tǒng)測(cè)得的湖底高度會(huì)有誤差，因此測(cè)量中應(yīng)該盡量選擇大型船只，降低傾斜造成的誤差。

3水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算

目前，傳統(tǒng)的水庫(kù)庫(kù)容計(jì)量方法不外乎斷面法、等高線法、三角網(wǎng)格法、方格網(wǎng)絡(luò)法等。

斷面法在水庫(kù)容量計(jì)算中應(yīng)用較為廣泛，但是也存在一定不足，其只適用于槽式水庫(kù)容量計(jì)算。斷面法將水體分割成n個(gè)梯形截面，整個(gè)水庫(kù)容量被分成n+1份，庫(kù)容計(jì)算公式為

式中Si——第i個(gè)截面的面積；

ΔLi——第i截面到第i+1截面的間距。

等高線法的精度比斷面法稍高，計(jì)算時(shí)將整個(gè)水體按照不同高程分成n個(gè)梯形體，整個(gè)水庫(kù)容量由梯形體求體積分得到。其計(jì)算公式為

式中Ai——第i個(gè)截面的面積，A0=0；

Δhi——第i等高線到第i+1等高線的高程差。

三角網(wǎng)格法基于水庫(kù)高程模型，將實(shí)際水體微分成n個(gè)三棱柱，求解每個(gè)柱體體積，體積和即為整個(gè)水庫(kù)庫(kù)容，其計(jì)算公式為

式中Ps——單個(gè)網(wǎng)格的面積；

H——指定水位高程；

hi——三角形網(wǎng)格角點(diǎn)的高程。

基于三角形網(wǎng)格，利用有限元軟件構(gòu)造三角錐計(jì)算網(wǎng)格，利用水平面與三角錐面的運(yùn)算得出體積差，體積差即為水庫(kù)容量。此方法中的三角錐體積是通過(guò)微分法精確得到的，其精度比三角形網(wǎng)格法高。

MATLAB軟件計(jì)算流程如下：

a.首先將網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)與數(shù)字探測(cè)儀測(cè)得的水庫(kù)底各坐標(biāo)和高程值導(dǎo)入軟件中，建立高程三維曲面。

b. 數(shù)據(jù)導(dǎo)入完畢后，由軟件自動(dòng)生成三角錐形網(wǎng)，并根據(jù)需求生成曲面的等高線，軟件生成的三維曲面見(jiàn)圖5。

d. 利用測(cè)得的水面高程值和水線生成水面曲面，利用庫(kù)岸線生成庫(kù)岸曲面，利用三個(gè)曲面計(jì)算得到水庫(kù)庫(kù)容和水容積。

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