近海域水下地形測(cè)量方法探析

高金平 趙淑屏

中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津市 300222

近海域水下地形測(cè)量方法探析

高金平 趙淑屏

中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津市 300222

近海域水下地形測(cè)量采用常規(guī)的測(cè)量方法已不再適應(yīng)，隨著CORS定位技術(shù)的發(fā)展，GPS配合數(shù)字化測(cè)深儀已成為當(dāng)前主流的測(cè)量模式，本文結(jié)合近海域水下地形測(cè)量的具體應(yīng)用和水下測(cè)量工作原理，給出一種切實(shí)可靠、高效的水下測(cè)量方法。

水下地形；CORS；測(cè)深儀；高程基準(zhǔn)

引 言

水下地形測(cè)量在河道疏浚及水庫(kù)、港口、碼頭、橋梁等工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，尤其在防洪減災(zāi)的應(yīng)用中彰顯出了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是現(xiàn)代水利工程中一項(xiàng)重要的工程技術(shù)。但在近海域水下地形測(cè)量時(shí)，由于受到風(fēng)浪、潮汐，水深等因素的影響，常規(guī)的測(cè)量手段已不能完全適應(yīng)，我們采用了CORS技術(shù)，結(jié)合RKT配合數(shù)字測(cè)深儀這種全新的測(cè)量模式，取得了非常好的效果。

1 常規(guī)測(cè)量方法

常規(guī)的水下地形測(cè)量方法有：

1）交會(huì)法：采用六分儀或經(jīng)緯儀進(jìn)行前方交會(huì)和側(cè)方交會(huì)；

2）極坐標(biāo)法：適合于水面不寬、流速較小、無風(fēng)浪的水域上；

3）斷面索定位法：在進(jìn)行大比例尺水下地形測(cè)量時(shí)，由于水面窄、測(cè)深淺、測(cè)點(diǎn)密度大、測(cè)設(shè)精度要求高，多采用此法進(jìn)行；

4）地面無線電定位法：適合于水域廣闊的湖泊、港口、河口和海洋上進(jìn)行的測(cè)深定位，此方法定位精度高，操作方便，不受通視及氣候的影響。

2 GPS測(cè)量定位方法

利用CORS基站系統(tǒng)，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）對(duì)測(cè)深點(diǎn)進(jìn)行定位，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位成果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。

此次作業(yè)擬采用科力達(dá)公司生產(chǎn)的K9T雙頻RTK。精度指標(biāo)為水平精度±1cm+1ppm，垂直精度±2cm+1ppm。

3 測(cè)深點(diǎn)的水深測(cè)量

水深測(cè)量采用回聲測(cè)深儀進(jìn)行施測(cè)。施測(cè)時(shí)采用科力達(dá)測(cè)繪儀器公司所生產(chǎn)的SDE-28S型數(shù)字化回聲測(cè)深儀。該儀器測(cè)深范圍：0.39～300m，測(cè)深精度：0.01±0.1%。此儀器抗干擾能力強(qiáng)，回波信號(hào)數(shù)字化算法確保在復(fù)雜水下環(huán)境下跟蹤河底。輸出連續(xù)的可靠的水深數(shù)據(jù)。

對(duì)于淺水區(qū)域的水深測(cè)量，因?yàn)樘蟮拇_不過去，可采用小船（或人工劃）的方式配合GPS+測(cè)深儀進(jìn)行。如水域太淺（≤0.4米），可采用測(cè)深桿測(cè)量水深（或直接用GPS的對(duì)中桿進(jìn)行量測(cè)）。

航道間距宜在20～30米，航點(diǎn)間距宜在20米左右。

4 潮汐改正

利用GPS RTK定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無水位觀測(cè)的水下地形測(cè)量。

其原理如圖1。

圖1

h為GPS天線到吃水線的高度

Z 為測(cè)深儀換能器設(shè)定吃水

Z為測(cè)量的水深值

Zp為繪圖水深

H為RTK測(cè)得的相對(duì)深度基準(zhǔn)面的高程

Zp=Z+Zo-(H-h).

其中，H-h是瞬時(shí)水面至深度基準(zhǔn)面的高度即水位值。當(dāng)水面由于潮水或者波浪升高時(shí)，H增大，相應(yīng)地Z也增加相同的值。根據(jù)上式，Zp將不變。因此，從理論上講，GPS RTK無驗(yàn)潮測(cè)深，將消除波浪和潮位的影響，是一種較好的水深測(cè)量方法。

5 水深數(shù)據(jù)處理及成圖

5.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是對(duì)水深數(shù)據(jù)編輯與清理前做的必要改正。包括水位改正、吃水改正、聲速改正、時(shí)間延遲改正等。數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件中的各項(xiàng)改正都有格式要求，把測(cè)量好的改正數(shù)按照軟件格式要求輸入，進(jìn)行自動(dòng)或人工改正。

5.2 定位數(shù)據(jù)的編輯與處理

影響定位數(shù)據(jù)精度的因素很多，如衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量、信號(hào)盲區(qū)等、甚至天氣、海況也有影響，使定位資料不可避免地出現(xiàn)錯(cuò)誤。其中主要是偏離真實(shí)位置的“飛點(diǎn)”，應(yīng)對(duì)這些可疑的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

5.3 水深數(shù)據(jù)的處理

水深數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是利用自動(dòng)清理和人機(jī)互動(dòng)的方式清理錯(cuò)誤水深，剔除虛假信息，保留真實(shí)信息，剔除一些不可能的孤立點(diǎn)、躍點(diǎn)和噪聲點(diǎn)。

5.4 編輯成圖

編輯成圖采用南方公司的數(shù)字化專用軟件CASS成圖。可完成海岸地形和水下地形一體化成圖。可實(shí)現(xiàn)多用途數(shù)字化地形測(cè)繪與GIS管理功能。把數(shù)據(jù)處理后的DWG格式文件，在系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)屬性轉(zhuǎn)換，建模生成等深線或水下等高線，再進(jìn)行地形圖編輯，得到符合要求的1：1000水下地形圖。

此外，測(cè)量成圖的具體要求按《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》執(zhí)行，但表達(dá)方式上需符合以下要求：

①測(cè)量單位應(yīng)具備形成三維圖紙的條件，即可以水深點(diǎn)附以Z軸信息，請(qǐng)用下列表達(dá)方式。

上述一個(gè)水深點(diǎn)用三個(gè)獨(dú)立圖元表示。其中的定位點(diǎn)應(yīng)放在一個(gè)單獨(dú)的圖層上。

②請(qǐng)不要用海圖的表達(dá)方式標(biāo)注測(cè)點(diǎn)水深數(shù)據(jù)。

③正負(fù)關(guān)系的表達(dá)請(qǐng)參照規(guī)范執(zhí)行，但給定位點(diǎn)所賦的Z值應(yīng)為實(shí)際數(shù)值。

6 質(zhì)量保證措施

6.1 為了保證測(cè)深成果的可靠性，我們應(yīng)分時(shí)段校正時(shí)差，在測(cè)前測(cè)后選擇底質(zhì)較硬，水深為2m左右的地方，用測(cè)深儀與測(cè)桿分別測(cè)量水深，來比較測(cè)深儀的技術(shù)性能是否正常。

6.2 水深測(cè)量作業(yè)前，結(jié)束后，應(yīng)將流動(dòng)站安置在控制點(diǎn)上進(jìn)行定位檢查。作業(yè)中發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)和比對(duì)。

6.3 定位數(shù)據(jù)與測(cè)深應(yīng)保證同步，否則應(yīng)進(jìn)行延時(shí)改正。

6.4 測(cè)深過程中測(cè)深結(jié)束后，應(yīng)對(duì)測(cè)深斷面進(jìn)行檢查，檢查斷面與測(cè)深斷面宜垂直相交，檢查點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于5%，檢查斷面與測(cè)深斷面相交處，圖上1mm范圍內(nèi)水深點(diǎn)的深度較差不應(yīng)超過下表：

表1 深度檢查較差的限差

6.5 船臺(tái)的流動(dòng)天線應(yīng)牢固地安置在船側(cè)較高處并與金屬物體絕緣，天線位置宜與測(cè)深儀換能器處于同一垂線上。

6.6 在作業(yè)過程中，始終要注意保證作業(yè)人員及施測(cè)儀器的安全。做到以防為主，消除一切安全隱患。

7 結(jié)束語

通過實(shí)踐我們形成了一套成熟的水下地形測(cè)量的數(shù)據(jù)采集、處理和成圖技術(shù)，其要點(diǎn)為：

1）采用CORS(或基站)配合RTK技術(shù)，在相應(yīng)的軟件支持下，指揮船老大按要求進(jìn)行行駛，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)同步采集坐標(biāo)數(shù)據(jù)和測(cè)深值；

2）利用軟件對(duì)水深值的系統(tǒng)誤差，特別是粗差進(jìn)行處理，得到相對(duì)可靠的觀測(cè)值；

3）在相應(yīng)軟件的支持下，形成等高線進(jìn)行水下地形圖的繪制，并按要求輸出不同比例尺的水下地形圖。

利用CORS配合RTK技術(shù)+數(shù)字測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量，是目前較為先進(jìn)的、高效的測(cè)量方法，但其也有一定的局限性，如在陡峭的峽谷、河道還不能取代常規(guī)的測(cè)量方法，但隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，利用RTK配合數(shù)字測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量將有更廣闊的前景。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.003

高金平，1962.2出生，山西臨縣人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主持參加了南水北調(diào)中線一期、山西省引黃工程、黃河沙坡頭水利樞紐、援阿富汗帕爾旺水利工程等大、中型水利工程測(cè)量工作。現(xiàn)為中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司航測(cè)遙感院副院長(zhǎng)。