水下測(cè)量技術(shù)在航道疏浚工程中的應(yīng)用研究

◎ 饒鴻輝 廣東水電二局股份有限公司

1.引言

測(cè)量工作是為獲取地物的形狀、大小及空間位置，和傳統(tǒng)的地形測(cè)量一樣，水下地形測(cè)量是為了獲取水下地形的一種測(cè)量工作[1]。和傳統(tǒng)地形測(cè)繪不同的是，水下地形測(cè)繪多一個(gè)水深的獲取步驟，水下地形測(cè)量包括測(cè)點(diǎn)的平面位置和水深測(cè)量。平面位置主要采用GNSS定位技術(shù)確定，水深主要通過各種類型的單波束回聲測(cè)深儀得到，由水面高程減去水深可得測(cè)點(diǎn)的水底高程[2-4]。水深測(cè)量是水下地形測(cè)量的基本方法，通過測(cè)量水底各點(diǎn)空間三維坐標(biāo)，可讓數(shù)據(jù)使用者對(duì)水下進(jìn)行猶如陸上空間一樣進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、施工等工作，隨著技術(shù)的發(fā)展，水深測(cè)量的技術(shù)手段有測(cè)深桿、水鉈、單波束測(cè)深儀、多波束測(cè)深儀等[5]。在海道測(cè)量、水運(yùn)工程測(cè)量、施工測(cè)量等涉及水深測(cè)量的領(lǐng)域，單波束測(cè)深儀和多波束測(cè)深儀變得尤為普遍，多波束相較單波束有著眾多優(yōu)勢(shì)以及單波束無法企及的應(yīng)用領(lǐng)域和方向，因此在水深測(cè)量領(lǐng)域，不管是技術(shù)層面還是行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)方面，多波束測(cè)深技術(shù)取代單波束測(cè)深技術(shù)已成大勢(shì)所趨[6-8]。

2.水下地形測(cè)量概述

2.1 水下地形測(cè)量方法

水下地形測(cè)量是指對(duì)水體覆蓋下地物、地貌的測(cè)量工作。主要包括測(cè)深、定位、繪制地形圖等。水下地形測(cè)量方法主要包括：人工測(cè)量法、單波束測(cè)深法、多波束測(cè)深法。

①人工測(cè)量：對(duì)于邊灘淺水區(qū)水下地形測(cè)量，測(cè)船難以航行時(shí)，應(yīng)人工涉水施測(cè)，按照陸上地形碎部點(diǎn)測(cè)量方法施測(cè)；在水草或淤泥區(qū)可采用專業(yè)測(cè)深桿配合定位設(shè)備，人工定標(biāo)并記錄測(cè)深桿實(shí)測(cè)水深。

②單波束測(cè)深：通過換能器垂直向下發(fā)射短脈沖聲波，聲波遇到水底發(fā)生反射，反射聲波被換能器接收，通過聲波在換能器與水底之間雙程旅行時(shí)間和水介質(zhì)的平均聲速來測(cè)量水深的方法。

③多波束測(cè)深：采用發(fā)射、接收指向正交的兩組聲學(xué)換能器陣，獲得垂直航向、由大量波束測(cè)深點(diǎn)組成的測(cè)深剖面，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率水下地形測(cè)量的一種方法。

高精度的定位測(cè)量須采用載波相位觀測(cè)值，RTK定位技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站，RTK定位技術(shù)測(cè)量示意圖見圖1。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不到一秒鐘，通信系統(tǒng)由無人船數(shù)據(jù)傳輸天線，網(wǎng)橋和遙控器組成。該定位測(cè)量較方便，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，且適用性強(qiáng)。

圖1 RTK定位技術(shù)測(cè)量示意圖

2.2 水下地形測(cè)繪作業(yè)方式

傳統(tǒng)的水下地形測(cè)繪的作業(yè)方式有以下三種方式：①人工手持RTK下水測(cè)量；②皮劃艇搭載測(cè)深儀；③有人船側(cè)邊懸掛式。三種方式適應(yīng)不同的環(huán)境，也有著各式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1）人工手持RTK下水測(cè)量：此種方式適合淺水區(qū)域水下地形測(cè)量，成本低（無需測(cè)深儀，無需其它輔助設(shè)備），機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。但人員的安全得不到保障，精度方面受人為影響較大，深水區(qū)域無法采用此種方式，一般不采用此種測(cè)量方法。

2）皮劃艇搭載測(cè)深儀：此種方式適合靜水窄河測(cè)量。皮劃艇相對(duì)來說，攜帶方便，下水前進(jìn)行充氣即可。適合中小靜水河流水下地形測(cè)量，成本相對(duì)較低。因皮劃艇較小，側(cè)邊比較圓潤，測(cè)深儀難以穩(wěn)定固定，且人員太多，相對(duì)船體太小，不是很安全。

3）新型水下地形測(cè)量方式—無人船：無人船用來進(jìn)行水下地形測(cè)量已然被大眾所接受，作為水下地形測(cè)繪方式的一種補(bǔ)充，在很大程度上替代了傳統(tǒng)的作業(yè)方式。

傳統(tǒng)水下地形測(cè)量作業(yè)方式有以下幾個(gè)問題：①由于有人船的吃水問題，一些淺灘，灘涂無法到達(dá)，導(dǎo)致無法保證水域的全覆蓋測(cè)量；②有人船測(cè)量時(shí)，很難保證船體穩(wěn)定，易產(chǎn)生晃動(dòng)移位，導(dǎo)致測(cè)量精度降低和位置偏移；③某些復(fù)雜環(huán)境，對(duì)船和人有危險(xiǎn)，安全性得不到保證；④有人船或者人工涉水測(cè)量，容易造成測(cè)量區(qū)域漏測(cè)，少測(cè)。傳統(tǒng)水下測(cè)量作業(yè)方式存在上述這些問題，無人船測(cè)量系統(tǒng)在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生，與傳統(tǒng)水下測(cè)量方法相比，無人船具有機(jī)動(dòng)、靈活、安全性高的特點(diǎn)，可在環(huán)境復(fù)雜、工況惡劣的水域作業(yè)。

在水下地形測(cè)繪中，便攜式多波束測(cè)量無人船采用無人測(cè)量船作為測(cè)繪平臺(tái)，以無人駕駛遙控船為載體，集成控制系統(tǒng)、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、測(cè)深系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)，快速、精確地獲取水下地形數(shù)據(jù)，工作更加便捷高效。便攜式多波束測(cè)量無人船，主要為庫容測(cè)量、建筑水下部分掃測(cè)和航道測(cè)繪等應(yīng)用，提供一種兩人即可實(shí)施的智能化自動(dòng)化解決方案，無需租船、快速部署，采集數(shù)據(jù)成果可靠。每一艘無人船均具備獨(dú)立的信息綜合處理能力和決策能力，意味著這并不是一艘簡(jiǎn)單的“遙控船”，而是匯聚了自主航行、感知避障、協(xié)同控制、系統(tǒng)集成、平臺(tái)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)自主核心關(guān)鍵技術(shù)的多波束測(cè)量無人船。單船即可根據(jù)布設(shè)的測(cè)繪測(cè)線，自主航行至作業(yè)區(qū)域，依照任務(wù)指令工作，實(shí)現(xiàn)無人化、自主化測(cè)量，測(cè)量過程中不再需要人為干預(yù)。相比傳統(tǒng)人工測(cè)繪方式，成本更低，作業(yè)效率、精度更高。傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量成果為二維的水下地形圖，新型水下地形測(cè)量技術(shù)可生產(chǎn)三維的水下地形成果，相較于二維水下平面圖，應(yīng)用領(lǐng)域更加的廣泛，主要應(yīng)用于河道和航道測(cè)量、港口測(cè)量，也可應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境調(diào)查、疏浚通航、水下考古等領(lǐng)域。

3.實(shí)例應(yīng)用分析

3.1 實(shí)例概況

本文研究實(shí)例為廣東省韓江高陂水利樞紐工程航道疏浚工程。韓江高陂水利樞紐工程船閘主體已基本完工，為保證通航安全，在正式通航前應(yīng)對(duì)該段河道航槽范圍進(jìn)行航道硬式掃床，主要技術(shù)參數(shù)如下：采用1980西安坐標(biāo)系，珠江基面高程系。上游掃床河床底標(biāo)高24.15米，下游掃床河床底標(biāo)高20.15米，下游航道擴(kuò)挖臨時(shí)航道掃床河床底標(biāo)高23.00米。

掃床范圍：①上游航道疏浚（船縱0-293～船縱0-678）：掃床長(zhǎng)度385米，掃床寬度41.76～70.40米；②下游航道疏浚（船縱0+599～船縱0+658）：掃床長(zhǎng)度59米，掃床寬度41米；③下游航道擴(kuò)挖臨時(shí)航道：坐標(biāo)角點(diǎn)（XHD1～XHD14）：掃床長(zhǎng)度963米，掃床寬度40米。

3.2 測(cè)量結(jié)果分析

掃床機(jī)具：機(jī)動(dòng)船1艘、掃床桿3條（豎桿2條各7米，橫桿1條6米）、GPS定位儀1套、測(cè)深儀1套。掃床工序：擺設(shè)GPS定位儀基站：基站設(shè)于T04-1控制點(diǎn)，檢查點(diǎn)T04-2。經(jīng)校核，平、高精度誤差符合《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》要求。測(cè)深儀：測(cè)深儀校核平面坐標(biāo)后調(diào)入掃床計(jì)劃線，掃床重疊寬度控制在0.5～1.0米，掃床計(jì)劃線間距為6米。根據(jù)測(cè)深儀上的掃床計(jì)劃線指揮掃床船航行，掃床過程對(duì)掃床重疊寬度超限的進(jìn)行補(bǔ)掃。標(biāo)尺入水深度根據(jù)實(shí)測(cè)水位變化調(diào)整，確保掃床數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

基于此開展水下測(cè)量任務(wù)，獲取實(shí)測(cè)水位：上游航道疏浚范圍 26.95米～2 7.3 6 米；下游航道疏浚范圍25.13米；下游航道擴(kuò)挖臨時(shí)航道范圍24.95米～25.13米。標(biāo)尺入水深度：上游航道疏浚2.8米～3.21米；下游航道疏浚4.98米；下游航道擴(kuò)挖臨時(shí)航道1.95米～2.13米。將水深取樣界面導(dǎo)入電腦測(cè)量進(jìn)行分析，獲得水深取樣界面圖，如圖2所示。根據(jù)標(biāo)尺入水深度＝實(shí)測(cè)水位－河床底標(biāo)高，可得出河床底標(biāo)高，據(jù)此導(dǎo)入地形軟件，可獲取航道測(cè)量圖云，見圖3，該成果表明本次掃床測(cè)量范圍內(nèi)，航道內(nèi)未發(fā)現(xiàn)淺點(diǎn)，水下航道地形可滿足安全通航條件。

圖2 水深取樣界面

圖3 航道測(cè)量云圖

4.結(jié)語及建議

本文通過對(duì)韓江高陂水利樞紐河道航槽范圍進(jìn)行航道硬式掃床的水下測(cè)量工作，采用便攜式多波束測(cè)量無人船獲取了航道測(cè)量成果，實(shí)現(xiàn)了水下高效大面積測(cè)量，節(jié)省人力投入，成倍提升工作效率。探索符合水利樞紐航道實(shí)際的，可復(fù)制、可推廣的近岸海域水下地形測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，為推動(dòng)航道開發(fā)和發(fā)展提供基礎(chǔ)保障，也為全面鋪開水下地形乃至內(nèi)陸水下地形測(cè)量提供數(shù)據(jù)支撐及技術(shù)保障。所提交的水下地形圖、三維地形建模成果等測(cè)繪數(shù)據(jù)，將為地區(qū)的綜合開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、海洋產(chǎn)業(yè)布局等提供基礎(chǔ)測(cè)繪支撐。