測(cè)深儀在城市河道測(cè)繪中的應(yīng)用

王寧

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710002）

1 引言

當(dāng)前，城市河道建設(shè)以及河道整治已經(jīng)成為了生態(tài)城市建設(shè)和城市生態(tài)恢復(fù)的一個(gè)重要組成部分。對(duì)城市河道進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)繪，以求產(chǎn)生精確的數(shù)據(jù)與圖紙，能為生態(tài)城市建設(shè)的科學(xué)規(guī)劃和合理開發(fā)提供技術(shù)和數(shù)據(jù)方面的保障。

2 測(cè)深儀的原理

2.1 回聲測(cè)深原理

回聲測(cè)深是一種利用聲波在水中的傳播特性來進(jìn)行水深測(cè)量的技術(shù)。在均勻介質(zhì)中聲波傳播為勻速直線傳播，在不同介面則上會(huì)發(fā)生反射，正是基于此原理，選擇了對(duì)于水的穿透能力最佳并且頻率位于1500Hz附近的超聲波作為從水面垂直向水底進(jìn)行發(fā)射的聲信號(hào)，通過從聲波發(fā)射到信號(hào)返回的時(shí)間間隔模擬或直接計(jì)算，來進(jìn)行水體深度的測(cè)定。

2.2 多波束測(cè)深原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)，正是在回聲測(cè)深儀基礎(chǔ)上所發(fā)展起來的。它能在和航跡垂直的平面內(nèi)一次性測(cè)定上百個(gè)測(cè)深點(diǎn)水深值，從而獲得一條一定寬度的全覆蓋的水深條帶，從而精確快速地測(cè)出沿航線一定寬度范圍內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，這樣就能比較可靠地描繪出水下地形地貌的精細(xì)特征。

3 測(cè)深技術(shù)要求

3.1 一般規(guī)定

在測(cè)量水深前應(yīng)先檢查平面控制點(diǎn)，校對(duì)基準(zhǔn)面和水尺零點(diǎn)或自記水位計(jì)零點(diǎn)的關(guān)系。測(cè)量中應(yīng)采用有模擬記錄的單波束或多波束的回聲測(cè)深儀，在淺水區(qū)測(cè)探宜采用測(cè)深錘或測(cè)深桿。測(cè)深應(yīng)在風(fēng)浪較小時(shí)進(jìn)行。

測(cè)深定位點(diǎn)點(diǎn)位中誤差，應(yīng)該滿足限差要求：測(cè)圖比例＞1：5000時(shí)，限差不應(yīng)大于圖上 1.5mm；比例≤1：5000時(shí)限差不大于圖上 1.0mm。在忽略平面位移情況下，水深測(cè)量的深度誤差要求：當(dāng)水深 H≤20m，限差±0.2m；當(dāng)水深 H＞20m，限差±0.01h。

航道測(cè)量中要按照內(nèi)河、沿海的實(shí)際需要及水深變化進(jìn)行基本測(cè)量和檢查測(cè)量或維護(hù)性測(cè)量。對(duì)沿海航道來說，基本測(cè)量周期3～8年，內(nèi)河航道則為10～15年。對(duì)于測(cè)區(qū)內(nèi)有變化的沿海航道以及港區(qū)應(yīng)定期進(jìn)行航道檢查測(cè)量。檢測(cè)周期按年、季、月、旬進(jìn)行劃分，內(nèi)河維護(hù)性測(cè)量則應(yīng)按照航道的實(shí)際變化進(jìn)行。

航道的基本測(cè)量要充分利用已有測(cè)量成果，而控制網(wǎng)和地形則應(yīng)按實(shí)際變化進(jìn)行復(fù)測(cè)、局部修測(cè)或補(bǔ)測(cè)，然后提交完整的控制點(diǎn)成果及地形資料。航道檢查測(cè)量或維護(hù)性測(cè)量則要按照實(shí)際情況確定測(cè)量?jī)?nèi)容。

3.2 測(cè)深線布設(shè)

主測(cè)深線應(yīng)垂直于等深線總方向、挖槽軸線或岸線進(jìn)行布設(shè)，亦可布設(shè)成平行線、螺旋線或者 45°的斜線。測(cè)深線間距：內(nèi)河重點(diǎn)水域，圖上10～15mm；內(nèi)河一般水域 15～20mm；沿海地區(qū)，10mm。測(cè)深檢查線應(yīng)與主測(cè)深線垂直，其長(zhǎng)度不小于主測(cè)深線總長(zhǎng)度的 5%。而不同測(cè)深組測(cè)深的相鄰測(cè)段還要有一條重合測(cè)深線；在同一測(cè)深組不同時(shí)期測(cè)深的相鄰測(cè)深段還要布設(shè)兩條重合的測(cè)深線。

3.3 定位

測(cè)深定位點(diǎn)間距按項(xiàng)目類型和儀具類型要符合圖上的最大間距要求。定位中心和測(cè)深中心應(yīng)一致，偏差不大于圖上0.3mm，若超限則進(jìn)行歸心改正。GPS定位，水深測(cè)量開始之前應(yīng)在高級(jí)點(diǎn)上對(duì)差分 GPS接收機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)及比對(duì)，比對(duì)時(shí)間不少于 1h。通過 DGPS定位系統(tǒng)所測(cè)得的 WGS-84坐標(biāo)，需轉(zhuǎn)換成測(cè)圖或施工所用的坐標(biāo)，而且要滿足定位精度的要求。

3.4 測(cè)深

測(cè)深進(jìn)行前測(cè)量船應(yīng)和水位站及定位觀測(cè)站進(jìn)行校對(duì)時(shí)間。水位觀測(cè)應(yīng)在測(cè)前10min開始，在測(cè)后 10min結(jié)束。測(cè)深儀要進(jìn)行定期檢驗(yàn)。每次測(cè)深前、后應(yīng)對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)。采用的檢查手段有聲速儀、水聽儀、檢查板等技術(shù)性手段以及水文資料計(jì)算深度改正數(shù)等經(jīng)驗(yàn)性手段。

4 測(cè)深關(guān)鍵誤差分析

為獲得提高城市河道測(cè)繪工程質(zhì)量的方法，要先進(jìn)行關(guān)鍵環(huán)節(jié)質(zhì)量影響因素（誤差）分析，當(dāng)找出所有影響項(xiàng)目實(shí)施質(zhì)量的因素之后，進(jìn)行其中的關(guān)鍵因素分析，并制定相應(yīng)改進(jìn)措施。

城市河道的測(cè)繪誤差主要來源于以下三方面：

1)測(cè)量?jī)x器：每一種儀器只具有一定限度的準(zhǔn)確度從而必須帶來誤差。

2)觀測(cè)者：考慮到觀測(cè)者的感官鑒別能力有一定的局限性，在儀器的操作過程中也可能產(chǎn)生誤差，同時(shí)還有觀測(cè)者的技術(shù)水平、工作態(tài)度的因素。

3)外界條件：測(cè)量中溫度、濕度、風(fēng)力、大氣、鹽度等因素和變化均對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)有直接影響。尤其是高精度測(cè)量，更要重視外界條件產(chǎn)生的誤差。目前河道測(cè)量誤差來源列表如表4-1所示：

表4-1 誤差來源列表

5.某江段測(cè)量實(shí)例

本文進(jìn)行了某江段的實(shí)測(cè)工作，基本步驟如下：

1）測(cè)深線布設(shè)：

主航道測(cè)深線間距 100m，總計(jì) 372條；重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)采取加密測(cè)量，測(cè)深線間距50m，內(nèi)插 37條；在港口處布設(shè)一條，向內(nèi)測(cè)深線的間距為 50m，至港內(nèi)第一座橋外側(cè)一條共計(jì) 12條。在平行于航道中心線的方向布設(shè)一條檢查線，其長(zhǎng)度約 37km，用以檢查測(cè)量成果準(zhǔn)確性。

2）測(cè)前儀器比對(duì)：

所有測(cè)量設(shè)備都具有合格的計(jì)量證書，均按規(guī)范要求定期進(jìn)行率定，從而確保了測(cè)量設(shè)備在正常使用期內(nèi)投入本次工作。在水深測(cè)量之前，對(duì)所使用的 GPS和測(cè)深儀進(jìn)行檢校以及嚴(yán)格的校準(zhǔn)、比對(duì)。

a）水深測(cè)量定位 GPS的比對(duì)

將城市城建坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)輸入 HYPACK MAX水道測(cè)量程序，在已知的平面控制點(diǎn) G3310、G3173上精確架設(shè) GPS接收機(jī)，然后在RTK-DGPS鎖定狀態(tài)下進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，取其平均值和該點(diǎn)已知理論坐標(biāo)值進(jìn)行比對(duì)；最大位置誤差小于30cm，平面定位精度滿足規(guī)范要求。

b）測(cè)深儀比對(duì)

測(cè)深前后在測(cè)區(qū)內(nèi)對(duì)測(cè)深儀現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，比對(duì)方法采用校正板進(jìn)行，首先對(duì)校正板的深度繩用鋼卷尺進(jìn)行精確校準(zhǔn)，然后在測(cè)區(qū)附近選擇水面較平靜，同時(shí)流速較小，并且測(cè)深儀處于正常工作狀態(tài)時(shí)進(jìn)行校對(duì)，每 2m 一個(gè)臺(tái)階，誤差小于0.03m。在測(cè)深之前，校對(duì)驗(yàn)潮時(shí)間和 HYPACK軟件的時(shí)間，確認(rèn)一致后進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)過比對(duì)校準(zhǔn)，保證水深測(cè)量的測(cè)深精度滿足規(guī)范要求。

3）測(cè)量方法：

采用 SDH-13D回聲測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)深，采用 RTK-DGPS、VRS方法進(jìn)行平面定位，專用水道測(cè)量軟件 HYPACK MAX完成水深及定位點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。由于江段碼頭作業(yè)區(qū)船舶眾多并且兩岸灘地過淺，測(cè)量斷面兩端無法一次測(cè)足，為此，測(cè)量組通過在測(cè)量小艇上安裝 GPS接收機(jī)或采用導(dǎo)標(biāo)距離法完成定位，在高潮位時(shí)進(jìn)行兩岸淺灘的測(cè)量，碼頭前沿水深則用測(cè)深錘測(cè)量。

4）驗(yàn)潮及水位改正：

采用人工方式進(jìn)行驗(yàn)潮，即在驗(yàn)潮站采用皮尺人工量取，每十分鐘記錄一次，精確至 0.01m。水位改正則按單站改正，改正的區(qū)域劃分按照?qǐng)D幅來確定。

6.結(jié)論

本文旨在通過分析城市河道測(cè)繪工程中測(cè)深儀的原理，測(cè)深技術(shù)的要求以及對(duì)測(cè)深關(guān)鍵誤差的分析，獲得改進(jìn)城市河道測(cè)繪工程工藝、流程的優(yōu)化方法，從而為科學(xué)規(guī)劃、合理開發(fā)河道建設(shè)提供精確技術(shù)及數(shù)據(jù)保障。

[1]]袁世中.現(xiàn)代測(cè)繪 GPS技術(shù)在疏浚工程中的應(yīng)用.上海測(cè)繪，2004（1）：6～11.

[2]]張正祿.工程測(cè)量學(xué).武漢：武漢大學(xué)出版社，2002.

[3]]黃茂華.GPS概述及其應(yīng)用.上海測(cè)繪，2004（3）：46～50.

[4]]李家彪.多波束勘測(cè)原理技術(shù)與方法.北京：海洋出版社，1999.

[5]侯世喜，黃漠濤，陽永忠等.多波束數(shù)據(jù)處理軟件的應(yīng)用與啟示.海洋測(cè)繪，2003（6）.