论文专区▏水深测量中的质量控制与数据检查软件的开发

【编者按】水深测量是测量中常见的工作，涉及到测深、定位、姿态等数据的融合处理，为了得到高质量的数据，需要采用合适的数据采集软件，并针对测量数据进行有效的数据检查和质量控制。本文提出了一个“好”的数据采集软件所应具备的基本特征、如何进行质量控制等问题，提出了水深测量软件必须具备的关键功能、水深数据中空间参考系、位置精度、时间精度、数据完整性等质量因子的检查和质量控制方法，同时以HYPACK软件为例，针对其数据格式提出了采用高级语言编程，开发出了数据检查和质量控制程序，并与传统的方法进行比较。 研究结果表明，开发有针对性的水深数据检查和质量控制软件不仅能显著提高工作效率，进行科学的精度评价，也能解决和修复测量数据中的参数错误等问题。本文发表在《海洋测绘》2016年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。吴敬文，男，1975出生，湖北红安人，长江口水文水资源勘测局，高级工程师，主要从事工程测量和海洋测绘等研究。

文/吴敬文 朱巧云 黄金发

一、引言

水深测量是工程测量中一项常见的工作。其数据采集一般通过水深采集软件进行，水深采集软件同步采集测深、定位、姿态等数据，通过融合处理得到水底测点的高程。在外业测量环节，水深测量已达到相当的自动化的程度，在测量过程中需要的人工干预很少，主要的工作在数据处理环节^[1]。由于水深测量具有数据量大的特点，数据后处理中的各项检查、数据处理的方法是影响数据质量的重要因素。在RTK（实时动态）三维水深测量技术应用日益广泛的条件下，水深测量的精度和可靠性得到了提高^[2-4]，在基线长度在40km以内，RTK测量高程方向的测量精度在6cm以内，完全能满足相关规范的精度要求^[5]。但要想在水深测量中得到高可靠和高精度的测量结果，如何对水下地形测量所采集的数据进行快速的质量检查、数据处理和精度评价，仍是一个值得探讨的问题^[6-7]。

二、水深数据采集软件的基本要求

一个好的水深采集软件需要具备某些基本特征，收集到信息完整的测量信息，才能有效地进行测量过程的和数据后处理的质量控制。概括说来，这些基本特征应当包括：操作界面友好；支持设备丰富；采集数据完整；测量数据易读，便于二次开发。

对于第一个特征要求，一般的专业软件容易满足。

第二个特征要求数据采集软件能支持不同的外界仪器设备，因为测量设备的种类繁多，从大类来说，有测深设备、定位设备、姿态测量设备（MRU）、方位测量设备（罗经），每一类设备又有众多的厂家生产的不同型号，数据采集软件需要识别不同的设备，接收到正确的数据信号。

第三个特征要求数据采集软件能接收到完整的测量数据，数据文件中不仅包含设备信息、大地椭球参数及投影转换参数、设备安装坐标（相对于船体坐标系）等重要的信息，还应能记录下尽可能多的水深、定位、姿态等测量信号，这有利于数据后处理中对不良信号的识别和剔除，得到高质量的数据。

第四个特征要求数据采集软件有良好的易于识别的数据格式，一般情况下采用ASCII数据，便于识别和编辑。采用不同的语句识别符标明数据类型。

三、质量控制与数据检查软件开发的实现

⒈ 水深数据处理中的质量控制

水深数据处理中的数据质量检查元素主要包括①空间参考系：包括大地基准，大地转换与投影参数、船体坐标系的定义及各仪器在船体坐标系中的坐标等；②位置精度：包括定位数据质量、水深数据质量、姿态数据及方位数据质量等；③时间精度：主要指数据采集时间基准的准确性、各数据采集时间系统的一致性；④数据完整性；⑤附件质量：现场记录的准确性和完备性。

⑴空间参考系

对于一个合格的水深数据采集软件，空间参考系信息是数据文件中必不可少的重要组成部分，对于数据的溯源、判断与改正至关重要。通过对测量数据空间参考系设置参数的读取和计算，一方面检查设置参数的正确性，另一方面，在错误设置某些参数的情况下，可以将错误的定位数据进行改正。

数据检查软件针对空间参考系精度评价的思路是：读取数据文件中头文件中的椭球、转换参数及投影参数，将其与正确值进行比较，必要的时候采用新的参数进行正确定位数据的恢复计算^[8]。

⑵位置精度

这里的位置精度具有广义性，既包括平面定位，也包括水深测量、姿态测量、方位测量的数据的精度。

定位数据的质量控制主要根据原始定位数据质量指示进行控制。数据采集软件通过接收GPS等定位仪器输出的NMEA 0183格式的定位数据获取位置等信息。

数据检查软件针对位置精度评价的思路是：读取水深测量文件，针对定位指标信息进行分析和统计，并采用一定的算法剔除掉定位质量不合格的数据，然后采用内插的方式对缺失的数据进行恢复。为了得到高质量和可靠的RTK高程测量数据，还应能输出连续的GPS水面高程文件^[9-11]。

⑶时间精度

需要指出的是，测绘成果质量检查中的时间精度指的是数据和资料的现势性，这里的时间精度则是至测量值与时间基准的匹配性。

水深测量数据的采集一般基于计算机的时间系统采集定位、测深、姿态等数据。某些情况下，各系统数据的同步性很重要，实现起来主要有以下方法：通过时钟同步装置；采用特定的延时测试方法进行延时测试计算^[12]。

水深测量中需要保证时间系统有一定绝对精度和稳定性。对于计算机系统来说，其时钟的稳定性能满足一般测量的要求，也可通过测量数据中的时间信息进行时间改正与校准，对于水位改正来说，这项工作是重要且必要的。

数据检查软件针对时间精度评价正是通过比较计算机采集的时间基准与UTC时间的差异来实现，必要的时候将所有测量的时间归算到UTC时间基准。

⑷数据完整性

要实现数据完整性的检查功能，设计数据检查软件的思路是：将测量数据展绘到绘图软件中，套汇上测量边界，判断测量数据的完整性。

⒉ 水深测量的精度评价

《水运工程规范（JTJ131-2012）》中规定：“测深检查线宜垂直于主测深线，其长度不宜小于主测深线总长度的5％。并规定：测深检查线与主测深线相交处，图上1mm范围内水深点的深度比对互差应符合以下规定：水深H≤20m时，深度比对互差不应大于0.4m；当水深H>20m时，深度比对互差不应大于0.02H；超限点数不应大于总点数的20%。

⒊ 软件的设计与实现

通过以上的分析，对水深测量中的质量控制需要进行空间参考系、位置精度、时间精度、数据完整性等项目的检查和控制，并计算主测线和检查线在图上1mm范围内的高程差异。这些工作均可通过变成实现。笔者针对HYPACK数据采集软件采集的数据，采用VISUAL BASIC6.0程序语言，实现了水深数据质量检查软件的开发。

程序包括数据提取、检查线计算、数据交换三大核心功能：高斯投影计算、椭球转换计算和基面转换计算三大辅助功能。

⑴数据提取：通过对定位、测深、RTK高程等数据进行融合处理，得到包含时间信息的三维测深数据，同时包括参考系检查与改算，时间基准检查与改正、定位质量统计、水深数据滤波等功能，同时生成数据检查报告。这是该程序的核心功能。

⑵检查线计算：通过分别读取主测线和检查线的数据，根据图形比例尺，计算并统计图上1mm范围内主测线测点和检查线测点的差值。

⑶数据交换：将三维水深数据生成SCR脚本文件，快速展绘到AUTOCAD软件中；或者从AUTOCAD的DXF格式数据交换文件中读取三维数据。

⑶辅助功能：辅助功能提供了常用的高斯投影计算、七参数投影计算、基于DXF文件的图形坐标系转换、高程基面转换等功能。

四、应用实例

某1：2000水下地形测量，采用RTK三维水深测量方式实施，由HYPACK专业测量软件进行数据采集。为检验软件的功能和效果，采用了上述的数据检查和质量控制程序，对水深测量数据进行处理，直接计算出河床底部高程，同时进行数据质量统计和检查线与主测线的差异计算。测量数据文件为80个ASCII数据文件，检查线文件为5个ASCII数据文件，下表1比较了采用该软件和手工计算的效果差异。

表1 两种数据检查方法效果比较

检查项目	采用数据检查软件	手工计算
空间参考系	<1min	>5min
位置精度	<1min，定量分析	>5min，无法定量分析
时间精度	<1min	>5min
数据完整性	<1min	>5min(需借助其它软件)
检查线精度	<1min	>30min(需借助其它软件)

数据检查软件同时还自动生成连续的水面高程文件，通过与人工水面高程观测对比，验证了数据处理的可靠性和RTK三维水深测量的精度。为了便于比较，提取了10min间隔的RTK高程数据（测量区域离人工观测水位位置不超过1km，在此范围内，缓流期间，水位自然比降不大于1cm/km，对RTK高程数据其进行了测船动吃水改正），表2列出了部分比较数据。

表2  RTK水面高程与人工观测

日期	时间	RTK水面测量（m）	人工观测水位（m）	差值（m）
07/29/2015	14:30	2.08	2.10	-0.02
07/29/2015	14:40	2.05	2.04	0.01
07/29/2015	14:50	2.02	2.00	0.02
07/29/2015	15:00	1.97	1.96	0.01

图1、图2为检查线测量统计计算和分析 。

图１　检查点水深≤20m统计示意图

图2 检查点水深＞20m统计示意图 

由表1和表2可以看出，该水深质量检查软件不仅快速实现了测量数据的融合和提取，还对高程测量数据的质量和可靠性作了快速有效的控制和评价。若采用人工计算的方法，既难以对每个测量文件进行定量的数据质量分析，也难以实现表2和图1、图2的精度分析功能。

五、结语

水深测量具有数据量大的特点，如何快速、有效地进行数据质量检查和质量控制是一个难点。采用高级语言编程，开发出具有针对性的数据质量检查和精度评价的软件，达到了以下几个目的。

①有效检查关键参数输入的正确性，如大地椭球参数、坐标系投影及转换参数，避免出现严重的输入错误，提高数据检查的效率，并对错误的参数输入进行纠正和改算。

②对测量的时间系统进行快速和高质量的精度控制。

③能输出连续的水面高程文件，对关键的高程测量进行有效的质量控制。

④实现了主测线和检查线差异的快速计算，精度评价方法科学。

本论文所阐释的针对水深数据的质量检查原则及方法，对水深测量工作具有借鉴作用。但本软件只是初步解决了水深测量数据融合、数据质量检查和精度评价等问题，如何实现测量信号图形化和高效的数据滤波处理等问题，还需要进一步研究。

参考文献：

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