錢塘江河口水下地形測(cè)量新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

段文義,任少華

(浙江省河海測(cè)繪院,浙江 杭州 310008)

1 問(wèn)題的提出

錢塘江河口潮強(qiáng)流急,涌潮洶涌,主槽擺動(dòng)無(wú)常,灘涂漲坍不定,給沿岸防洪防臺(tái)帶來(lái)了極大的壓力。為了認(rèn)識(shí)錢塘江河床演變規(guī)律,有效地治理錢塘江,徹底改變兩岸防洪、防臺(tái)長(zhǎng)期被動(dòng)的局面,提高兩岸防災(zāi)減災(zāi)能力,保障沿岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展,有關(guān)部門從1953年開始對(duì)錢塘江河口河口水下地形進(jìn)行定期測(cè)量。

隨著GPS定位技術(shù)、水聲測(cè)量技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,水下地形測(cè)繪技術(shù)從傳統(tǒng)的光學(xué)定位、單波束測(cè)深、手工數(shù)據(jù)處理繪圖、單一成果時(shí)代跨入GPS定位、多種測(cè)深手段配合、自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理繪圖、多樣化成果的嶄新時(shí)代。水下地形測(cè)量基本工作可以分為定位和測(cè)深[1],其中定位包含了平面定位和水位(水面高程)2部分。為了將新技術(shù)更好地應(yīng)用于水下地形測(cè)量,有必要對(duì)錢塘江河口水下地形測(cè)量技術(shù)進(jìn)行梳理和分析,比較新技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

2 水下地形測(cè)量技術(shù)回顧

錢塘江河口水下地形測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在定位方法和測(cè)量水深方法的改進(jìn)。

2.1 定位方法

定位工作是水下地形測(cè)量的基礎(chǔ),根據(jù)測(cè)量船離陸地的遠(yuǎn)近和定位精度的高低可采用不同的定位方法。在衛(wèi)星定位技術(shù)出現(xiàn)之前,錢塘江河口水下地形測(cè)量時(shí)主要采用光學(xué)定位和無(wú)線電定位。近二三十年來(lái),隨著現(xiàn)代水下地形測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了水聲定位和衛(wèi)星定位2種方法。

光學(xué)定位主要有前方交會(huì)法、后方交會(huì)法、側(cè)方交會(huì)法和極坐標(biāo)法等,使用的儀器有經(jīng)緯儀、六分儀、測(cè)距儀和全站儀等。光學(xué)定位受距離限制,必須依賴觀測(cè)者的視力和操作熟練程度,由于水下地形測(cè)量是在運(yùn)動(dòng)的載體上進(jìn)行,定位精度不及陸地測(cè)量精度高,讀數(shù)也容易出錯(cuò),且易受天氣等因素的影響,工作難度大。

傳統(tǒng)意義上的無(wú)線電定位即陸基無(wú)線電定位。20世紀(jì)90年代初期曾短暫使用。在岸上控制點(diǎn)處安置無(wú)線電收發(fā)機(jī) (岸臺(tái)),在船舶等載體上設(shè)置無(wú)線電收發(fā)、測(cè)距、控制、顯示單位,測(cè)量無(wú)線電波在船臺(tái)和岸臺(tái)間的傳播時(shí)間或相位差,利用電波的傳播速度,求得船臺(tái)至岸臺(tái)的距離或船臺(tái)至兩岸臺(tái)的距離差,從而計(jì)算船位。無(wú)線電定位多采用圓—圓定位或雙曲線定位方式。隨著空基無(wú)線電定位系統(tǒng) (即衛(wèi)星定位)的出現(xiàn),我國(guó)目前已基本關(guān)閉了沿海陸基無(wú)線電定位系統(tǒng)臺(tái)鏈。

水聲定位技術(shù)是近30 a發(fā)展起來(lái)的一種海洋測(cè)量定位手段。利用水下聲學(xué)技術(shù),水下聲標(biāo)作為海底控制點(diǎn),精確聯(lián)測(cè)其坐標(biāo),通常由船臺(tái)設(shè)備和若干水下設(shè)備組成。錢塘江是舉世聞名的涌潮河口,潮大流急,涌潮洶涌,含沙量高,泥沙易沖易積,水聲定位方法在錢塘江河口水下地形測(cè)量中難以應(yīng)用。

空基無(wú)線電定位即衛(wèi)星定位,是目前海上定位的主要手段,也是最近20 a來(lái)錢塘江河口水下地形測(cè)量中最常用的方法。衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、我國(guó)的北斗定位系統(tǒng)以及歐洲的伽利略(Glalileo)定位系統(tǒng)。目前廣泛使用的是GPS技術(shù),具有全天候、全球覆蓋、連續(xù)實(shí)時(shí)、高精度定位等特點(diǎn)。全球任何地點(diǎn)的用戶都能利用全球定位系統(tǒng)獲得高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。

2.2 水深測(cè)量方法

水下地形測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與測(cè)深手段的不斷完善緊密相關(guān)。在發(fā)明回聲測(cè)深儀以前,只能靠測(cè)深桿和測(cè)深錘測(cè)量水深,精度差、效率低。20世紀(jì)20年代出現(xiàn)的回聲測(cè)深儀,是利用水聲換能器垂直向下發(fā)射聲波并接受水底回波,根據(jù)回波時(shí)間來(lái)確定被測(cè)點(diǎn)的水深。當(dāng)測(cè)量船在水上航行時(shí),測(cè)深儀可測(cè)得1條水深線,通過(guò)水深的變化,較為直觀地了解水下地形地貌。

20世紀(jì)90年代初廣泛采用數(shù)字化測(cè)深儀進(jìn)行水深測(cè)量,給水深測(cè)量技術(shù)帶來(lái)了革命性的變化。單波束水深測(cè)量自動(dòng)化系統(tǒng)包括數(shù)字化測(cè)深儀、定位設(shè)備(通常為GPS)、數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和處理軟件。在自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)中,測(cè)深儀測(cè)得的水深數(shù)據(jù)和GPS測(cè)得的定位數(shù)據(jù)通過(guò)COM端口傳輸?shù)接?jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件將收到的數(shù)據(jù)以一定的格式形成電子文件存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤。外業(yè)測(cè)量結(jié)束后利用數(shù)據(jù)處理軟件剔除假水深,加入儀器改正數(shù)和潮位改正,形成水深數(shù)字文件,再由軟件的繪圖模塊驅(qū)動(dòng)繪圖機(jī)自動(dòng)成圖。

3 錢塘江河口水下地形測(cè)量新技術(shù)應(yīng)用

錢塘江河口水下地形測(cè)量的定位技術(shù)采用衛(wèi)星定位技術(shù),常用DGPS定位、單站RTK定位及網(wǎng)絡(luò)RTK定位方法;水位觀測(cè)方法采用驗(yàn)潮和無(wú)驗(yàn)潮方法;水深測(cè)量采用回聲測(cè)深技術(shù)。

3.1 衛(wèi)星定位技術(shù)

3.1.1 DGPS定位

DGPS定位即差分2衛(wèi)星定位,是通過(guò)建立基準(zhǔn)站,觀測(cè)計(jì)算并發(fā)送衛(wèi)星定位改正數(shù),用戶站接收并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行改正,以獲得更為精確的定位結(jié)果。根據(jù)差分GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式的不同可分為4類,即位置差分、偽距差分、相位平滑偽距差分及相位差分。目前,我國(guó)沿海地區(qū)共建設(shè)了22座由航海無(wú)線電信指向標(biāo)構(gòu)成的RBMDGPS基準(zhǔn)臺(tái),形成了從鴨綠江口到西沙群島,覆蓋所有沿海港口重要水域和狹窄水道的高精度導(dǎo)航、定位服務(wù)網(wǎng)。該系統(tǒng)的基準(zhǔn)站測(cè)定各顆在視衛(wèi)星的偽距差分改正數(shù),并通過(guò)播發(fā)臺(tái)以最小頻移鍵控調(diào)制到無(wú)線電信標(biāo)載波頻率上,發(fā)給GPS用戶。用戶接收GPS信號(hào)和差分信號(hào)便可實(shí)現(xiàn)DGPS測(cè)量。利用該系統(tǒng)在沿海離岸300 km內(nèi)可以獲得優(yōu)于5 m(95%置信度)的導(dǎo)航定位精度,距離基準(zhǔn)站較近區(qū)域可獲得優(yōu)于2 m的定位精度。利用該方法進(jìn)行水下地形測(cè)量的缺點(diǎn)是不能同步測(cè)定水位。

3.1.2 單站RTK定位

單站RTK定位技術(shù)是GPS載波相位差分技術(shù)的一種應(yīng)用。高精度的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)[2],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,精度達(dá)到厘米級(jí)。在RTK作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站通過(guò)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。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還要采集GPS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。在整周未知數(shù)解固定后,即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理,只要能保持5顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形,則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。該方法最大的缺點(diǎn)是必須滿足流動(dòng)站與基準(zhǔn)站誤差強(qiáng)相關(guān)這一假設(shè)條件,當(dāng)流動(dòng)站離基準(zhǔn)站較近(不超過(guò)10 km)時(shí),上述假設(shè)條件均能較好地成立,此時(shí)利用1個(gè)或數(shù)個(gè)歷元的觀測(cè)資料即可獲得厘米級(jí)精度的定位結(jié)果。GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)能較好地保證厘米級(jí)精度的定位結(jié)果以及高精度定位結(jié)果的連續(xù)性。

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)RTK定位

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的基本原理是利用多個(gè)基準(zhǔn)站構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng),由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)通信線路及用戶4部分組成。借助廣域差分GPS和具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局域差分GPS中的基本原理和方法消除或削弱各種系統(tǒng)誤差的影響,從而獲得高精度的定位結(jié)果。與單站RTK相比,該方法的主要優(yōu)點(diǎn)為覆蓋面廣、定位精度高、可靠性強(qiáng)、可實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)定位,精度不受距離影響?；鶞?zhǔn)站上配備雙頻全波長(zhǎng)GPS接收機(jī),能同時(shí)提供精確的雙頻偽距觀測(cè)值,基準(zhǔn)站的坐標(biāo)采用長(zhǎng)時(shí)間GPS靜態(tài)相對(duì)定位等方法來(lái)精確確定。此外,還配備數(shù)據(jù)通信設(shè)備及氣象儀器等?；鶞?zhǔn)站按規(guī)定的采樣率進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),并通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)時(shí)將觀測(cè)資料傳送給數(shù)據(jù)處理中心,數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)發(fā)送來(lái)的近似坐標(biāo)(可根據(jù)偽距法單點(diǎn)定位求得)判斷出該流動(dòng)站位于由哪3個(gè)基準(zhǔn)站所組成的三角形內(nèi)。根據(jù)這3個(gè)基準(zhǔn)站的觀測(cè)資料求出流動(dòng)站處所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差,并播發(fā)給流動(dòng)用戶進(jìn)行修正以獲得精確的結(jié)果,必要時(shí)可將上述過(guò)程進(jìn)行1次迭代。目前網(wǎng)絡(luò)R TK技術(shù)可分為虛擬基站技術(shù)(VRS)、主輔站技術(shù)(MAC)等。

基于ZJ-CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)已從2011年開始在錢塘江水下地形測(cè)量中使用,系統(tǒng)可以提供從毫米級(jí)、厘米級(jí)到亞米級(jí)等不同精度的定位與導(dǎo)航服務(wù),該系統(tǒng)信號(hào)目前還不能夠完全覆蓋整個(gè)錢塘江河口的測(cè)量范圍,但已經(jīng)成為錢塘江河口水下地形測(cè)量研究的主流方法。

3.2 潮位測(cè)量技術(shù)

驗(yàn)潮測(cè)量的手段隨著儀器設(shè)備的更新不斷改進(jìn),錢塘江河口潮位數(shù)據(jù)獲取難度主要體現(xiàn)在可供設(shè)站的位置少,潮流方向總體由東往西,但是灣口南北潮時(shí)差、潮高差都比較大。擬在適合的位置(比如王盤山、跨海大橋觀光平臺(tái)等)設(shè)立長(zhǎng)期遙報(bào)潮位站,采用長(zhǎng)系列潮位資料研究區(qū)域潮汐特征及其相互關(guān)系,研究開發(fā)滿足水下地形測(cè)量要求的潮汐變化插值算法。

近岸區(qū)域直接采用基于ZJ-CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進(jìn)行施測(cè),該方法能夠在定位的同時(shí)實(shí)時(shí)采集同等精度大地高水位信息,精度達(dá)到厘米級(jí)。利用全省或?qū)Ｓ盟拼蟮厮疁?zhǔn)面精化成果,內(nèi)插獲取基于1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的高精度的正常高水位,目前主要研究似大地水準(zhǔn)面的精化。

3.3 回聲測(cè)深技術(shù)

在水深條件允許地區(qū),多波束系統(tǒng)以其全覆蓋和高精度的特點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外已有取代單波束之勢(shì)?，F(xiàn)代多波束系統(tǒng)向“變頻、變角、便攜”方向發(fā)展,變頻是頻率可選,在相同水體環(huán)境下,不同頻率的系統(tǒng)往往有著不同的性能表現(xiàn),一般而言,低頻有著更大的測(cè)深范圍、更寬的條帶覆蓋,但通常水深精度相對(duì)較低;高頻的測(cè)深范圍較小、條帶覆蓋較窄,但通常水深精度更高。變角是回波接收角度可變,當(dāng)用戶對(duì)如水下管線等關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí),這一特性尤為有益。便攜是安裝使用方便,對(duì)于不具備專用測(cè)量船的用戶而言,為他們使用多波束提供了極大的方便。用戶可根據(jù)水底目標(biāo)關(guān)注程度的不同,調(diào)節(jié)同一水深剖面中測(cè)深點(diǎn)的分布密度,將更多的測(cè)深點(diǎn)集中用于更需關(guān)注的區(qū)域。

4 錢塘江河口水下地形測(cè)量新技術(shù)展望

隨著科技的不斷進(jìn)步,測(cè)量技術(shù)和設(shè)備更加先進(jìn),必將向高智能化、高集成化、去人工干預(yù)化方向發(fā)展。針對(duì)錢塘江河口區(qū)域的環(huán)境特點(diǎn),激光雷達(dá)技術(shù)和綜合測(cè)量技術(shù)將逐漸應(yīng)用于錢塘江河口水下地形測(cè)量中。

4.1 激光雷達(dá)技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)載激光雷達(dá) (LiDAR)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,它是一種通過(guò)位置、距離、角度等觀測(cè)數(shù)據(jù)直接獲取對(duì)象表面點(diǎn)的三維坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)地表信息提取和三維場(chǎng)景重建的對(duì)地觀測(cè)技術(shù),是集激光掃描儀、全球定位系統(tǒng) (GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INs)3種技術(shù)于一體的主動(dòng)式空間測(cè)量系統(tǒng)。利用LiDAR獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)綜合處理可以獲得沿一定條帶的地面區(qū)域三維定位與成像結(jié)果,具有空間與時(shí)間分辨率高、動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍大、能夠部分穿透植被遮擋、直接獲取真實(shí)地表高精度三維信息等特點(diǎn)。由于LiDAR系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的靈敏度較低,在三維城市建模、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域也都具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用需求,適合于錢塘江河口灘涂地形測(cè)繪。

在水深測(cè)量領(lǐng)域,海洋激光測(cè)深技術(shù)(如美國(guó)OPTECH公司研制的 “掃描式航空激光海岸測(cè)量?jī)x-SHOALS”)在淺水區(qū)域的測(cè)深方面,已經(jīng)取得了良好的效果,是一種極具誘惑力的海洋測(cè)深新技術(shù)。激光器發(fā)射的光束具有聲束無(wú)可比擬的方向性,激光光束的高分辨率能獲得海底的傳真圖像,從而可以詳細(xì)調(diào)查海底地貌和海底地質(zhì),其發(fā)射和接受系統(tǒng)借助機(jī)載后,具有速度快、覆蓋率高、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此,利用機(jī)載激光技術(shù)進(jìn)行海洋測(cè)深是除船載聲納測(cè)深之外的另一種引起廣泛重視的水下目標(biāo)探測(cè)手段。機(jī)載激光海洋測(cè)深的原理與回聲測(cè)深的原理相類似,海水中存在一個(gè)類似于大氣的透光窗口 (即海水對(duì)0.47～0.58μ m波長(zhǎng)范圍內(nèi)的藍(lán)綠光的衰減系數(shù)最小,其它波段的光在水中的衰減則較大)[3],利用機(jī)載藍(lán)綠激光發(fā)射和接收設(shè)備,通過(guò)從飛機(jī)上由激光雷達(dá)向下發(fā)射高功率、窄脈沖的激光,同時(shí)測(cè)量水面反射光與海底反射光的走時(shí)差,并結(jié)合藍(lán)綠光的入射角度、海水的折射率等因素進(jìn)行綜合計(jì)算,獲得被測(cè)點(diǎn)的水深值,再與定位信號(hào)、飛行姿態(tài)信息、潮汐數(shù)據(jù)等綜合,確定特定坐標(biāo)點(diǎn)的水深。測(cè)深系統(tǒng)借助機(jī)載,機(jī)動(dòng)性好,加之采用掃描和GPS全球定位技術(shù),可以滿足大面積、高速度、高精度和低成本的現(xiàn)代測(cè)深的需要,目前僅適合于淺水 (50 m水深以內(nèi))且透明度較高的海域,但其迅速的發(fā)展勢(shì)頭將會(huì)成為海洋地形測(cè)繪的新生力量。

4.2 綜合測(cè)量系統(tǒng)

錢塘江河口水下地形測(cè)量的主要目的是為保護(hù)兩岸海塘提供基礎(chǔ)資料,因此,水陸交匯區(qū)域的地形現(xiàn)狀非常重要,常規(guī)測(cè)量方法往往難以獲取該區(qū)域的無(wú)縫連接數(shù)據(jù)。把多波速系統(tǒng)和激光雷達(dá)技術(shù)相融合,水下部分采用當(dāng)前水深測(cè)量最先進(jìn)的多波束測(cè)深技術(shù),水上部分采用當(dāng)前陸域測(cè)量最先進(jìn)的激光雷達(dá)技術(shù),兩者在當(dāng)前最先進(jìn)的POS-MV光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)共同支持下,實(shí)現(xiàn)水上水下空間數(shù)據(jù)無(wú)縫一體化采集(比如SeaBat7 125 SV2多波束系統(tǒng)和LAND MarkMarine激光掃描系統(tǒng)),能夠獲取完整的水陸地形數(shù)據(jù),滿足各類管理與研究的實(shí)際應(yīng)用,也代表著未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)水陸空間數(shù)據(jù)一體化獲取的發(fā)展方向,適合錢塘江河口區(qū)域的水下地形測(cè)量。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)錢塘江河口水下地形測(cè)量方法的歷史回顧,總結(jié)了錢塘江河口水下地形測(cè)量的新技術(shù)主要體現(xiàn)在平面定位方式、垂直基準(zhǔn)面定位方式以及水深測(cè)量方式3方面。針對(duì)錢塘江河口水質(zhì)和地形特征,短期內(nèi)可以綜合運(yùn)用船載多波束與激光綜合測(cè)量系統(tǒng),依靠網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)和似大地水準(zhǔn)面精化成果獲得水下測(cè)點(diǎn)的平面位置和水位數(shù)據(jù),同時(shí)獲取水面上的影像數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)水上水下空間數(shù)據(jù)無(wú)縫一體化采集。機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)以其速度快、覆蓋率高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)極具誘惑力,是海洋測(cè)繪今后研究和發(fā)展的主要方向。由于受水質(zhì)和水深因素的影響,目前還無(wú)法在錢塘江河口水域應(yīng)用。

[1]中華人民共和國(guó)交通部.JTJ 203—2001水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).CH/T 2009—2010全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量 (RTK)技術(shù)規(guī)范 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[3]昌彥君.海洋激光測(cè)深技術(shù)介紹[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2001.