水運(yùn)工程測(cè)繪新技術(shù)應(yīng)用回顧與展望

郭文偉

（中交天津航道局有限公司，天津 300381）

0 引言

我國水運(yùn)工程測(cè)繪戰(zhàn)線長期堅(jiān)持技術(shù)引進(jìn)和國際交流，保證了我國水運(yùn)工程測(cè)量能夠與當(dāng)代國際測(cè)繪技術(shù)同步發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國測(cè)繪事業(yè)發(fā)展迅速，特別是RTK-DGPS三維定位技術(shù)、多波束全覆蓋測(cè)深及數(shù)字化自動(dòng)成圖等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使大多數(shù)水運(yùn)工程測(cè)量都基本實(shí)現(xiàn)了定位、測(cè)深及水位數(shù)據(jù)采集、數(shù)字成圖一體化。在水運(yùn)工程控制測(cè)量（含水位控制）、地形測(cè)量、水深測(cè)量、制圖、地理信息系統(tǒng)、水上應(yīng)急指揮系統(tǒng)、船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等方面，取得了我國水運(yùn)工程測(cè)繪事業(yè)前所未有的成就[1-2]?；仡櫸覈\(yùn)工程測(cè)繪新技術(shù)應(yīng)用成果，進(jìn)一步總結(jié)測(cè)繪新技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將為測(cè)繪新技術(shù)的研究和開發(fā)，廣開新的發(fā)展思路，拓展更加廣闊的應(yīng)用空間。

1 平面控制測(cè)量

20世紀(jì)80年代，我國水運(yùn)工程建設(shè)領(lǐng)域開始引進(jìn)了GPS定位技術(shù)，90年代得到了空前的發(fā)展，特別是隨著載波相位GPS及其RTK差分技術(shù)的應(yīng)用，使得相對(duì)動(dòng)態(tài)三維定位的精度可以達(dá)到分米至厘米級(jí)，完全可以滿足水運(yùn)工程測(cè)量各種比例尺測(cè)圖及部分施工測(cè)量對(duì)平面控制測(cè)量的精度要求。例如：在我國內(nèi)河航道測(cè)量中，不少通航的內(nèi)河流域都建立了GPS平面控制網(wǎng)。其中在長江流域，由長江航道局組織建立了長江干線航道GPSC級(jí)控制網(wǎng)，覆蓋了上自四川宜賓，下至江蘇瀏河口，全長2 128 km，跨越四川、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海，共布設(shè)GPSC級(jí)點(diǎn)102個(gè)。該項(xiàng)目在航道測(cè)量的控制網(wǎng)建設(shè)上達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。長江干線航道GPSC級(jí)網(wǎng)的建成，為長江航運(yùn)發(fā)展及航道建設(shè)提供了高精度平面控制基礎(chǔ)。其他內(nèi)河流域也都利用GPS對(duì)平面控制網(wǎng)進(jìn)行了改造和擴(kuò)建。

同時(shí)，在沿海各個(gè)港口也都建立了較高精度的GPS控制網(wǎng)，在各項(xiàng)水運(yùn)工程施工測(cè)量中廣泛地應(yīng)用了GPS、RTK技術(shù)，為保證工程質(zhì)量建立了可靠的測(cè)量控制基礎(chǔ)。例如上海港及長江口、天津港及大沽口、廣州黃埔港及珠江口、青島、秦皇島、大連等數(shù)十個(gè)港口，都利用GPS對(duì)原平面控制網(wǎng)進(jìn)行了全面或部分改造，建立了新的平面控制網(wǎng)。為各港口建設(shè)提供了精確可靠的平面控制測(cè)量基礎(chǔ)保證。

在廣泛應(yīng)用GPS、RTK技術(shù)的同時(shí)，我國研制和建立的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)正在有關(guān)領(lǐng)域內(nèi)開始推廣應(yīng)用[3]，并在以更快的速度發(fā)展。為了進(jìn)一步應(yīng)用俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、歐洲“伽利略”系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，部分水運(yùn)工程測(cè)量單位已著手配置相關(guān)技術(shù)應(yīng)用軟件，并開始對(duì)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)三維定位技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，必將為我國的平面控制測(cè)量的進(jìn)步開辟更加廣闊的發(fā)展前景。

2 高程測(cè)量

20世紀(jì)90年代后期，我國GPS高程測(cè)量技術(shù)得到空前發(fā)展，采用GPS水準(zhǔn)法進(jìn)行高程控制測(cè)量已可達(dá)到四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度，水運(yùn)工程測(cè)量系統(tǒng)也開始應(yīng)用GPS高程測(cè)量。進(jìn)入21世紀(jì)以來，應(yīng)用GPS水準(zhǔn)法結(jié)合地面重力數(shù)據(jù)、地面高程模型及航空重力數(shù)據(jù)、衛(wèi)星重力梯度測(cè)量等技術(shù)手段，使得區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)得到長足發(fā)展。隨著高精度電子全站儀的產(chǎn)生，電磁波三角高程測(cè)量精度有了新的提高，這為進(jìn)行長距離的跨河（海）高程測(cè)量提供了新的可靠的工作模式。

目前，我國將大地水準(zhǔn)面的精度提高到厘米級(jí)，對(duì)于大比例尺快速成圖和水運(yùn)工程測(cè)量十分有利。通過進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化，在其覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行高程控傳遞變得異常簡(jiǎn)單，利用一臺(tái)流動(dòng)站GPS接收機(jī)即可實(shí)時(shí)得到測(cè)點(diǎn)的高程，其精度可達(dá)到或優(yōu)于四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。港珠澳大橋干塢工程（珠海桂山島）高程傳遞，依據(jù)最新的地球重力場(chǎng)理論和方法，與GPS水準(zhǔn)聯(lián)合求解，精度達(dá)到6 mm。衛(wèi)星定位技術(shù)、CORS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將成為今后高程控制測(cè)量手段的主導(dǎo)。隨著測(cè)角、測(cè)距精度的提高，三角高程測(cè)量技術(shù)也將在長距離的跨河水準(zhǔn)測(cè)量方面等水運(yùn)工程測(cè)量中發(fā)揮更大的作用。

3 地形測(cè)量

上個(gè)世紀(jì)90年代以來，我國地形測(cè)量逐步由人工白紙測(cè)圖發(fā)展到全站儀數(shù)字測(cè)圖和目前的RTK-DGPS自動(dòng)化數(shù)字成圖。目前水運(yùn)工程測(cè)量單位，已廣泛利用全站儀或GPS全球定位系統(tǒng)和RTK技術(shù)，進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集、傳輸、計(jì)算、儲(chǔ)存，利用CASS7.0、AutoCAD、清華三維（Eps2000） 及進(jìn)口軟件等地形測(cè)量成圖軟件的數(shù)據(jù)處理、編輯與制圖功能，實(shí)現(xiàn)了地形測(cè)量成果的“數(shù)字化”，基本結(jié)束了人工白紙測(cè)圖的歷史。

近年來，大比例尺的航空攝影、遙感影像等已開始在長江三峽庫區(qū)地形測(cè)量中應(yīng)用。數(shù)字地形測(cè)量在得到全面升華的同時(shí)，多種數(shù)據(jù)獲取手段集成應(yīng)用的現(xiàn)代地理信息技術(shù)正在水運(yùn)工程地形測(cè)量中推廣應(yīng)用。在水運(yùn)工程建設(shè)和科研中，以數(shù)字地形測(cè)量成果制作的電子地圖和電子海圖一樣，也正在得到推廣應(yīng)用。隨著空間技術(shù)、信息技術(shù)和通訊技術(shù)的飛躍發(fā)展，傳統(tǒng)的地形測(cè)量正在轉(zhuǎn)向多種數(shù)據(jù)獲取手段集成應(yīng)用的現(xiàn)代數(shù)字化地形（地理信息）處理系統(tǒng)的自動(dòng)化成圖。

4 水深測(cè)量

水深測(cè)量是涵蓋當(dāng)代測(cè)繪新技術(shù)最多的綜合應(yīng)用測(cè)量技術(shù)。水深測(cè)量新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，代表著我國整個(gè)水運(yùn)工程測(cè)量和海洋測(cè)繪的技術(shù)進(jìn)步。主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面。

4.1 定位技術(shù)

在水深測(cè)量中，我國已全面實(shí)現(xiàn)了全球衛(wèi)星實(shí)時(shí)差分定位，沿海小比例尺測(cè)圖已廣泛應(yīng)用了RBN-DGPS（無線電信標(biāo)差分GPS）導(dǎo)航定位，近年來，我國已開始推廣應(yīng)用RTK-DGPS三維定位技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)平面定位與水位測(cè)量一體化的水深測(cè)量創(chuàng)造了條件。RTK-DGPS三維定位技術(shù)是一種高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS載波相位差分定位技術(shù)。它由基準(zhǔn)臺(tái)、移動(dòng)臺(tái)及RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈組成。移動(dòng)臺(tái)無需在已知點(diǎn)上做初始化，而直接在動(dòng)態(tài)環(huán)境下確定整周模糊度，實(shí)時(shí)接收GPS定位信息，并按基準(zhǔn)臺(tái)發(fā)送的RTK差分改正數(shù)進(jìn)行修正，獲得厘米級(jí)精度的三維坐標(biāo)。隨著GPS測(cè)高技術(shù)的發(fā)展，為高精度三維定位技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)作了條件。近年來，水運(yùn)工程系統(tǒng)許多測(cè)量單位，都對(duì)這種新技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)已成功地應(yīng)用于地形測(cè)量、水深測(cè)量和施工測(cè)量。

4.2 水位保證技術(shù)

20世紀(jì)90年代，為了滿足水深測(cè)量自動(dòng)化需要，在沿海和內(nèi)河主要港口都研制或引進(jìn)了自動(dòng)遙報(bào)水位儀，大大提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了水深測(cè)量外業(yè)自動(dòng)化成圖。21世紀(jì)以來，全自動(dòng)水位遙報(bào)系統(tǒng)功能大大增加，目前已利用它在全國主要港口建立了船舶交通管理系統(tǒng)和船舶安全航行動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)，為我國港口建立GIS數(shù)字化管理系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

由于RTK-DGPS三維定位技術(shù)的應(yīng)用，使RTK水位（利用RTK-DGPS定位設(shè)備所獲得的測(cè)點(diǎn)處的實(shí)時(shí)水面高程）的獲得，成為RTK三維水深測(cè)量自動(dòng)化成圖的水位保證重要環(huán)節(jié)。推動(dòng)了水深測(cè)量的發(fā)展。

4.3 測(cè)深和航行障礙物探測(cè)技術(shù)

我國于上世紀(jì)90年代末就開始引進(jìn)、推廣應(yīng)用簡(jiǎn)單輕便的數(shù)字化測(cè)深、多波束及側(cè)掃聲納掃測(cè)技術(shù)和具有數(shù)字化、模塊化、微型化和集成特性的磁力儀。多波束全覆蓋測(cè)深已成為當(dāng)今水深測(cè)量最重要、最前衛(wèi)、效益最高、應(yīng)用較廣的測(cè)深手段。尤其多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲納、磁力儀和淺地層剖面儀的配合應(yīng)用，在我國水運(yùn)工程建設(shè)、港口安全運(yùn)營、海事救撈工作中，發(fā)揮了不可替代的作用。先后對(duì)我國沿海和內(nèi)河港口數(shù)十項(xiàng)水底磁性目標(biāo)成功地進(jìn)行了探測(cè)、定位和打撈，為我國水運(yùn)工程施工、沿海及內(nèi)河航道暢通、港口安全運(yùn)營及海事救撈作出了突出貢獻(xiàn)，彰顯了我國水下障礙物探測(cè)技術(shù)的最新成就。

4.4 適航水深測(cè)量

20世紀(jì)90年代末，天津港務(wù)局、天津市海慧海洋工程研究所、中交天津航道局有限公司等單位，借助于適航水深測(cè)量鼻祖工具三爪砣，成功地配合雙頻測(cè)深儀及密度計(jì)進(jìn)行了適航水深測(cè)量的過渡性試驗(yàn)研究和應(yīng)用，推動(dòng)了我國自動(dòng)化適航水深測(cè)量的發(fā)展。2003年以后，由天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院等單位相繼引進(jìn)了荷蘭SILAS等走航式適航水深測(cè)量系統(tǒng)。目前，這一新技術(shù)已在我國淤泥質(zhì)港口得到了廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。為我國全面推廣適航水深測(cè)量新技術(shù)開辟了應(yīng)用前景。

4.5 RTK三維水深測(cè)量自動(dòng)化成圖技術(shù)

近年來，由于RTK-DGPS三維定位技術(shù)在我國水運(yùn)工程測(cè)量中的成功應(yīng)用，大大推動(dòng)了平面位置與水位一體化測(cè)量模式下的水深測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。RTK三維水深測(cè)量就是這項(xiàng)新技術(shù)的最新應(yīng)用成果。它是采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS載波相位差分（即RTK-DGPS）三維定位技術(shù)，實(shí)時(shí)獲得移動(dòng)站的平面坐標(biāo)和大地高（含測(cè)點(diǎn)水面同步大地高），在定位系統(tǒng)中央處理器的驅(qū)動(dòng)下，同步實(shí)時(shí)采集測(cè)船三姿態(tài)和水深數(shù)據(jù)，并根據(jù)移動(dòng)臺(tái)衛(wèi)星天線至水面的高度及深度基準(zhǔn)面與大地高的關(guān)系，進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)自動(dòng)獲得測(cè)點(diǎn)的平面位置和圖載水深，進(jìn)行自動(dòng)化成圖的測(cè)量新技術(shù)。它就是曾被稱為“RTK GPS水位法”（RealTime Water Levels from RTK GPS）、“RTK水深測(cè)量”（RTK River Bathymetry）、“RTK潮位法”或“RTK潮位改正法”及“RTK無驗(yàn)潮水深測(cè)量”的測(cè)量新技術(shù)。2009—2010年，我國交通運(yùn)輸部組織中交天津航道局有限公司、天津海事局海測(cè)大隊(duì)、天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院等9個(gè)單位，完成了此項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用的專題研究，總結(jié)了國內(nèi)外此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用成果和經(jīng)驗(yàn)，并將其統(tǒng)一定名為“RTK三維水深測(cè)量”。現(xiàn)已正式將其各項(xiàng)技術(shù)規(guī)定納入了正在修訂的《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》中，為我國全面推廣應(yīng)用RTK三維水深測(cè)量自動(dòng)化成圖技術(shù)創(chuàng)造了條件。

隨著“3S”技術(shù)在水運(yùn)工程測(cè)量中進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用，港口GIS信息化管理，對(duì)水深測(cè)量數(shù)字化、自動(dòng)化提出了更快、更高的要求?？梢灶A(yù)計(jì)，21世紀(jì)RTK三維定位技術(shù)、全數(shù)字變頻智能化單波束、多波束測(cè)深技術(shù)的全面發(fā)展及水下攝影和機(jī)載激光測(cè)深手段的應(yīng)用[4]，將會(huì)大大促進(jìn)水深測(cè)量新技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)，水深測(cè)量的三維定位、測(cè)深一體化自動(dòng)成圖，將會(huì)更加快捷、高效和精確。

5 制圖技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為制圖技術(shù)帶來了革命性變化，自20世紀(jì)90年代以來，數(shù)字化地圖及電子海圖制圖技術(shù)逐步改變了千百年來繁雜的手工制圖狀況，并同數(shù)據(jù)庫技術(shù)和遙感技術(shù)等一并應(yīng)用于水運(yùn)工程測(cè)量中。特別是21世紀(jì)以來，水運(yùn)工程測(cè)量制圖技術(shù)與地理信息系統(tǒng)、空間信息可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、攝影測(cè)量與遙感、網(wǎng)絡(luò)通信等相結(jié)合，得到了迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了三維電子地圖、導(dǎo)航電子地圖、多種數(shù)據(jù)綜合制圖等[2]，它將為水運(yùn)工程建設(shè)提供簡(jiǎn)便、直觀、可視化等多角度、多視覺的測(cè)繪信息化服務(wù)。

近年來，我國已經(jīng)完成了近海和沿海水域、長江、西江等內(nèi)河水域不同比例尺電子海圖（含內(nèi)河電子航道圖），達(dá)到了國際先進(jìn)水平。為推動(dòng)先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)在船舶航行中的應(yīng)用，發(fā)揮電子海圖的航行保障作用，我國已對(duì)外公開發(fā)行了大量的沿海電子海圖，部分內(nèi)河水域也正在試用。

隨著測(cè)繪事業(yè)的快速發(fā)展，電子海圖、電子地圖、地理信息系統(tǒng)和各種相關(guān)數(shù)字化測(cè)量及其成果的一體化綜合應(yīng)用技術(shù)，已成為當(dāng)代最高端的測(cè)繪新技術(shù)之一，也是未來制圖技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。數(shù)字環(huán)境下制圖與出版一體化，GIS、GPS、RS空間信息系統(tǒng)集成，GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與多媒體動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)等在水運(yùn)工程及海洋測(cè)繪中的綜合應(yīng)用，將會(huì)創(chuàng)造出內(nèi)容更加豐富、表現(xiàn)多樣的制圖新產(chǎn)品，為水運(yùn)事業(yè)的健康發(fā)展提供更加智能化、可視化、地理信息數(shù)據(jù)集成化的數(shù)字制圖成果。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國應(yīng)用這種技術(shù)在沿海和內(nèi)河逐步開發(fā)、建立了多用途、多類別的水上安全管理系統(tǒng)。例如:長江南京至瀏河口河段，已實(shí)現(xiàn)了地理信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、規(guī)范和及時(shí)更新，水位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、自動(dòng)遙報(bào)，船舶航行實(shí)時(shí)獲取最新數(shù)字航道信息（航標(biāo)信息、AIS船舶信息）等，保障了船舶自身安全和通航環(huán)境安全，提高了船舶營運(yùn)效率，實(shí)現(xiàn)了港口、航道現(xiàn)代化信息交互管理。由中國海事局組織天津海事局等單位，開發(fā)、研究、建立的港口水上交通安全信息系統(tǒng)、水上應(yīng)急指揮系統(tǒng)、船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和引航系統(tǒng)等，已相繼在全國范圍內(nèi)付諸實(shí)施，正在為我國水運(yùn)事業(yè)保駕護(hù)航。這一高端技術(shù)在我國各個(gè)測(cè)量專業(yè)的廣泛應(yīng)用，必將為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)創(chuàng)造不可估量的經(jīng)濟(jì)效益。

可以預(yù)見，隨著高精度的定位、測(cè)深、網(wǎng)絡(luò)化、智能化測(cè)量和制圖技術(shù)的發(fā)展，我國水運(yùn)工程測(cè)量服務(wù)保障，必將會(huì)有更加輝煌的明天。

[1] 翟國君，黃謨濤.我國海洋測(cè)繪發(fā)展歷程[J].海洋測(cè)繪，2009，29（4）：74-81.

[2]彭文.GIS新技術(shù)對(duì)海事測(cè)繪的影響探討[C]//中國航海學(xué)會(huì)航標(biāo)專業(yè)委員會(huì)測(cè)繪學(xué)組.中國航海學(xué)會(huì)航標(biāo)專業(yè)委員會(huì)測(cè)繪學(xué)組學(xué)術(shù)研討會(huì)學(xué)術(shù)交流論文集.上海：上海海事局航海圖書印制中心，2006：294-297.

[3] 鄧玉芬，張博，沈明，等.基于北斗衛(wèi)星的海洋測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].海洋測(cè)繪，2009，29（4）：67-69.

[4] 陸修平，邊少鋒，黃謨濤，等.機(jī)載激光測(cè)深精度外部檢驗(yàn)方法[J].海洋測(cè)繪.2011，31（2）：1-3.