長(zhǎng)江中游航道測(cè)量水深數(shù)據(jù)處理方法初探

隨著枯水期航道維護(hù)尺度的提高，對(duì)中游重點(diǎn)淺險(xiǎn)水道蘆家河、枝江觀測(cè)頻率也增加，對(duì)水深測(cè)量的精度提出了新的更高要求；同時(shí)淺水道內(nèi)灘槽變化劇烈，在航道測(cè)量過程中，對(duì)航道及測(cè)量邊界水深數(shù)據(jù)也更加關(guān)注。如何在盡可能提高水深數(shù)據(jù)精度的前提下，更加全面地掌握測(cè)量區(qū)域的水深信息，為航道維護(hù)管理提供及時(shí)、準(zhǔn)確的地形資料，增強(qiáng)航道維護(hù)工作的主動(dòng)性和預(yù)見性成為了測(cè)量工作中必須要思考的問題。

水深測(cè)量現(xiàn)狀

1、水深定位原理

目前航道測(cè)量中全部采用GPS接收機(jī)配合數(shù)字式測(cè)深儀完成平面定位和水深數(shù)據(jù)的采集。在平面定位過程中無(wú)論是采用1+1模式還是網(wǎng)絡(luò)GPS或者是單個(gè)CORS基準(zhǔn)站方式，都由事前設(shè)置好的基準(zhǔn)站按固定的時(shí)間間隔向流動(dòng)站發(fā)射差分改正信息，以完成平面定位修正，實(shí)現(xiàn)精確定位。而目前主要應(yīng)用的測(cè)深儀為無(wú)錫海鷹的SDH-13D型，其脈沖頻率為210KHZ，水深數(shù)據(jù)通過LED顯示和模擬打印至測(cè)深紙，并可通過串口輸出到筆記本電腦，通過專業(yè)的導(dǎo)航軟件存儲(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)水深數(shù)據(jù)和平面定位數(shù)據(jù)的同步采集。

2、存在的主要問題

在現(xiàn)有測(cè)量模式及數(shù)據(jù)處理方法上，存在著兩類突出的問題，一是相鄰測(cè)量點(diǎn)之間的水深數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確標(biāo)注；二是測(cè)量成果數(shù)據(jù)邊界并不完全反映現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量軌跡，測(cè)量軌跡范圍總是大于水深數(shù)據(jù)覆蓋范圍。究其原因主要受測(cè)量比例影響及現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)距控制所影響。目前航道維護(hù)測(cè)量基本比例尺一般為1:10000和1:5000，按照《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》的要求，測(cè)量斷面及點(diǎn)距控制按照100m進(jìn)行，在實(shí)際測(cè)量過程中點(diǎn)距可以適當(dāng)加密，按照70—80m左右進(jìn)行控制。但即便是按照1：5000加密測(cè)量的方法進(jìn)行實(shí)施，在枯水期航道維護(hù)測(cè)量工作中，也是不能足以全面反應(yīng)航道水深信息，在測(cè)量邊界上及定位點(diǎn)之間也是存在一定失真的，因?yàn)樵跍\險(xiǎn)水道其航寬往往僅有80m（在定位點(diǎn)之間的水深數(shù)據(jù)只能通過內(nèi)插加以判別）。

通過對(duì)實(shí)際測(cè)量的一組水深測(cè)量數(shù)據(jù)（僅含局部觀測(cè)數(shù)據(jù)）的分析可以看出：總共采集了218組水深和平面定位數(shù)據(jù)，測(cè)量軌跡線長(zhǎng)18.55km，總計(jì)歷時(shí)4862s，船舶平均航行速度為3.81m/s。如果按照100m的間隔定位一個(gè)點(diǎn)，則需要26s左右才能采集一組平面數(shù)據(jù)，與此同時(shí)水深數(shù)據(jù)的總量則呈幾何級(jí)數(shù)的增長(zhǎng)。218組平面定位數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的是53430組水深采集數(shù)據(jù)，正是由于兩者之間數(shù)量上的差異，客觀上造成了在數(shù)據(jù)處理和成圖中，圖面數(shù)據(jù)信息不能完全反應(yīng)水下地形特征，容易造成在關(guān)注的淺水區(qū)域失真，有沒有其它的處理方法能夠解決這一問題呢？

水深數(shù)據(jù)處理的一般方法

要解決上述問題，首先分析一般水深數(shù)據(jù)處理方法：先編輯一個(gè)水位文件，按照內(nèi)插進(jìn)行水位改正，實(shí)現(xiàn)平面定位點(diǎn)和高成數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)。在離散點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字高程模型的建立，其中水位文件格式如下：

時(shí)間 水位

080000 11.51

081500 11.45

083000 11.40

在水位文件中包含時(shí)間和水位信息，二者用空格加以區(qū)分。時(shí)間信息按照小時(shí)、分、秒格式進(jìn)行輸入，水位信息精確到0.01m。在水位改正過程中將通過軟件自動(dòng)按照時(shí)間和水位數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插改正。

處理方法的改進(jìn)

根據(jù)航道維護(hù)測(cè)量工作的特點(diǎn)，需要盡可能全面掌握測(cè)量區(qū)域的水深信息，由此需要尋找另一種方法完成水深數(shù)據(jù)的處理。首先對(duì)記錄存儲(chǔ)文件進(jìn)行一個(gè)個(gè)逐一分析。同樣對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)，在導(dǎo)航軟件中生成有*.org、*.dep、*.ssd的三類文件。在*.dep文件中，包含有全部的水深數(shù)據(jù)，對(duì)該文件進(jìn)行如下處理：

1、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

應(yīng)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，對(duì)其中的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)格式定制為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式，采用文件轉(zhuǎn)換方式一次完成。

生成的數(shù)據(jù)文件格式如下：

點(diǎn)號(hào) Y坐標(biāo) X坐標(biāo) PDOP

53417，，582593.213，3366928.147，3.98

53418，，582592.931，3366928.173，3.96

53419，，582592.649，3366928.199，3.99

53420，，582592.367，3366928.225，3.99

53421，，582592.085，3366928.251，3.99

文件格式符合內(nèi)業(yè)成圖軟件的需求，同時(shí)可以針對(duì)不同的軟件，在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)按照要求生成不同格式的成果數(shù)據(jù)文件。

2、水位改正

采用RTK實(shí)時(shí)水面高替代水尺高程的方法，一組水深數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)水面高，可以有效減弱船舶起伏及縱橫比降變化對(duì)測(cè)量精度的影響。按照無(wú)驗(yàn)潮改正的方法，其對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)如下：

點(diǎn)號(hào) Y坐標(biāo) X坐標(biāo) PDOP值 高程

53417，，582593.213，3366928.147，3.98 ，32.12 ，31.93

53418，，582592.931，3366928.173，3.96 ，32.15 ，31.93

53419，，582592.649，3366928.199，3.99 ，32.17 ，31.93

53420，，582592.367，3366928.225，3.99 ，32.16 ，31.93

53421，，582592.085，3366928.251，3.99 ，32.15 ，31.93

在原數(shù)據(jù)文件基礎(chǔ)上增加了當(dāng)?shù)睾叫谢鶞?zhǔn)面和RTK水面高信息，轉(zhuǎn)換得到絕對(duì)高程數(shù)據(jù)和相對(duì)高程數(shù)據(jù)分別為：

絕對(duì)高程數(shù)據(jù)：

點(diǎn)號(hào) Y坐標(biāo) X坐標(biāo) 高程

53417，，582593.213，3366928.147，28.14

53418，，582592.931，3366928.173，28.19

53419，，582592.649，3366928.199，28.18

53420，，582592.367，3366928.225，28.17

53421，，582592.085，3366928.251，28.16

相對(duì)高程數(shù)據(jù)：

53417，，582593.213，3366928.147，3.79

53418，，582592.931，3366928.173，3.74

53419，，582592.649，3366928.199，3.75

53420，，582592.367，3366928.225，3.76

53421，，582592.085，3366928.251，3.77

3、數(shù)據(jù)篩選

按照原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法其數(shù)據(jù)量?jī)H有218組，但采用處理其中的水深文件的方法則有53430組數(shù)據(jù)。但按照測(cè)量規(guī)范及圖面美觀的要求需要剔除大量的數(shù)據(jù)。這一過程中采用軟件自動(dòng)處理進(jìn)行，一般按照兩個(gè)原則進(jìn)行，一是邊界數(shù)據(jù)保留，其二按照水深分界線的要求予以保留，如在航道測(cè)量中，水深數(shù)據(jù)小于3.5m的數(shù)據(jù)則需要全部加以保留。

成圖效果比較

按照上述處理方法完成的江口水道2010年3月測(cè)圖如下：

高程點(diǎn)覆蓋范圍比較

通過對(duì)兩份成果的對(duì)比分析，從高程點(diǎn)分布情況看，采用后一種處理方法可以不受測(cè)量控制點(diǎn)距的限制，根據(jù)需要可以自由選擇成圖用的定位和水深數(shù)據(jù)，同時(shí)可以根據(jù)需要保留特征水深信息，不存在數(shù)據(jù)失真的情況。第二從測(cè)量數(shù)據(jù)范圍覆蓋看，采用后一種處理方法優(yōu)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)測(cè)量區(qū)域水深信息掌握得更全面，無(wú)論是在航道以內(nèi)還是在航道邊線之外。

結(jié)論

通過對(duì)水深數(shù)據(jù)文件的分析，采用RTK水面高替代水尺觀測(cè)水位，無(wú)論是在水深數(shù)據(jù)的總量還是在成果數(shù)據(jù)的質(zhì)量上，較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)方法都具有明顯的優(yōu)越性，能夠較好地提高淺險(xiǎn)水道水深測(cè)量精度，在中游航道枯水期測(cè)量中具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)通過對(duì)上述方法的分析，針對(duì)不同要求的測(cè)量實(shí)際，通過一定的變化，同樣可以移植在相應(yīng)的測(cè)量工程項(xiàng)目中。如對(duì)于水工建筑物的測(cè)量，在水深數(shù)據(jù)篩選的時(shí)候可以設(shè)置為水深大于臨界數(shù)字的條件，將關(guān)鍵的區(qū)域和數(shù)值直觀地標(biāo)注在圖上，為管理和決策提供參考，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)然由于觀測(cè)數(shù)據(jù)的大量增加，一定程度上增加了內(nèi)業(yè)分析和處理工作量，同時(shí)對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析取舍上也存在同樣的問題，如何通過軟件和人工分析相結(jié)合，既提高測(cè)量的精度，真實(shí)反應(yīng)測(cè)量實(shí)際狀況，又適度降低勞動(dòng)強(qiáng)度，需要在日后的測(cè)量實(shí)際工作中不斷探索。

（作者單位：長(zhǎng)江宜昌航道局）