基于工程實例的三維水深測量方法研究

王志彬

摘 要：本文基于湛江港某航道測量工程為研究對象，首先分析了多波束RTK三維水深測量作業模式，進而詳細闡述了航道測量的步驟和具體實施方法，包括作業前的準備、聲速剖面測量、數據處理與過濾、質量評價等，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：三維 水深測量 聲速 多波束

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（b）-0091-02

近年來，隨著國家對沿海港口城市綜合規劃和開發的重視，多波速掃海測量在港口航道的擴建和疏浚維護工程中的應用也日漸增多。本文將重點介紹利用美國產Odom-ES3多波束測深系統結合Trimble雙頻GPS接收機等在湛江港航道疏浚維護工程中掃海測量的工作情況和關鍵問題探討。

1 多波束RTK三維水深測量作業模式

多波束測深系統以其全覆蓋、效率高、后處理數據強大的掃海測深特點，結合目前常用的GPS RTK實時定位技術，能夠良好地完成水運工程方面的測量任務。其工作原理是：GPS基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信號傳輸給流動站，GPS流動站通過接收基準站數據，在測量船上實時得出三維坐標；而多波束系統通過與GPS流動站連 接與設置，在秒脈沖PPS（Pulse-Per-Second）技術的協同下自動同步接收并記錄實時定位與測深值，見圖1。

通過圖1各參量的標示及其相互位置關系，可以得出如下：

H（x，y）=T（x，y）-G（x，y）+L （1）

D（x，y）=H（x，y）-Δ （2）

式中，L為GPS天線到換能器距離，為常數值；x，y為水深定位點；D（x，y）為深度基準面的水深值；H（x，y）為高程基準面的水深值；T（x，y）為換能器底面的瞬時水深值，可由多波束系統直接測得；G（x，y）為GPS流動站在高程基準面的高程值，可通過與基準站的連接獲得并實時傳導給多波束系統；Δ為高程基準面與深度基準面的差值，通常在某已知測區內為常數值。

2 航道測量案例研究

2013年3～4月和10～11月分別對湛江港航道進行了浚前和浚后掃測，目的是檢驗經過疏浚后各條航道是否已經達到設計水深（均不超過20m）要求，是否滿足航道設計通過能力。掃測航道面積約6.9km2，總長度約26km。測深采用Odom-ES3多波束測深系統，主要技術指標為：工作頻率：240kHz；掃幅寬度：接收120°×3°，發射120°×3°；有效波束寬度：-0.75°，-1.5°，-3.0°；波束數量：默認480，可達240和120；距離分辨率：0.02%倍的測距；測深范圍：0.5～60m。

在正式施測之前，依次完成了控制測量、參數計算、系統安裝與調試、系統校準及精度評測等工作；施測過程中進行了聲速剖面測量、多波束掃測記錄、RTK三維水深測量、多波束中央波束和單波束對已測數據成果的質量檢查和精度統計；施測完成后對所測外業成果進行了數據編輯和過濾，然后輸出作為圖載水深數據供制圖使用。

2.1 作業前的準備

（1）航道施測前要綜合考慮到海況、天氣、測區船舶通行等因素，制定合理的掃測作業進度表，做到既不影響工期又能保證成果質量。（2）由于航道淤積情況不盡相同，航道內、航道邊坡及航道邊坡外的水深變化明顯，因此布設主測深線需根據水深而定，一般1.5～2倍為宜，由航道內向外逐漸加密，做到不多不漏。合理布設測線既能提高專業效率，又能節約成本。（3）多波束系統安裝和校準。在測量船上安裝多波束測深系統和施測過程中不可避免存在著由于坐標軸平移、坐標軸旋轉（橫搖、縱傾和航向偏差）引起的系統偏差。為了消除這些系統誤差，必須進行兩坐標系統之間的平移、旋轉校準，以保證測量結果的客觀性。

2.2 聲速剖面測量

多波束掃測過程中，由于換能器表層聲速主要受溫度影響，同一地點在不同時間聲速也會發生較大的變化。而表層聲速的差異將直接影響海底測深精度，導致海底形態的畸變。一般聲速剖面測量的地點盡量選擇在航道內中心有代表性的水域，單個聲速剖面的控制范圍小于5km，每日施測前后應各測量一次，以盡可能減小聲速變化對測量結果的誤差。例如，本次航道測量根據浚前（30天）和浚后（33 天）兩次掃測顯示，湛江港海域聲速主要受溫度影響較大，且聲速值隨溫度降低而減小，而聲速每減小10m，測量水深值減小0.1m，這對航道疏浚影響很大。因此，在海上作業過程中，必須盡可能多次測量不同海域的聲速剖面。3.3RTK