輕便型航道疏浚測量系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用研究

施永富

摘 要：內(nèi)河航道圖測量外業(yè)工作量大，內(nèi)業(yè)成圖效率低；疏浚工程設(shè)計方案選定和疏浚工程量計算自動化程度低，航道疏浚工程施工質(zhì)量檢測橫斷面無法重疊比對。為此，我們研究開發(fā)了輕便型航道疏浚測量系統(tǒng)。用該系統(tǒng)進行內(nèi)河航道圖測量，可以大大提高工作效率；疏浚工程的設(shè)計方案可以N多次更改，并快速生成相應(yīng)的疏浚工程量計算表和橫斷面圖。利用該系統(tǒng)的斷面分析對比軟件進行疏浚施工質(zhì)量檢查和竣工驗收，可以把實時河床斷面線與設(shè)計斷面線疊加分析，直觀準確反映疏浚工程的施工質(zhì)量。該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中效果顯著。

關(guān)鍵詞：航道測量 疏浚質(zhì)量檢查 系統(tǒng)

中圖分類號：U675.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0070-02

航道適航水深檢測與疏浚施工是航道管理機構(gòu)進行航道維護的重要手段。我們根據(jù)工作實踐，研究開發(fā)了“輕便型航道疏浚測量系統(tǒng)”。該系統(tǒng)在技術(shù)上采用了GPS定位和測深技術(shù)，向?qū)阶詣油瓿伤袛?shù)據(jù)的采集、后處理、成圖、流轉(zhuǎn)和成果輸出、實測對比分析。用該系統(tǒng)進行內(nèi)河航道圖測量，可以大大提高工作效率；疏浚工程的設(shè)計方案可以N多次更改，并快速生成相應(yīng)的疏浚工程量計算表和橫斷面圖。利用該系統(tǒng)的斷面分析對比軟件進行疏浚施工質(zhì)量檢查和竣工驗收，可以把實時河床斷面線與設(shè)計斷面線疊加分析，直觀精確反映疏浚工程的施工質(zhì)量。

1 系統(tǒng)組成

輕便型航道疏浚測量系統(tǒng)組成：測量型GPS（RTK）、工業(yè)級別PDA（手簿）、數(shù)字超聲波回聲測深儀、工控電腦等硬件和航道成圖軟件、工程之星、航道疏浚測量分析系統(tǒng)（PCSS）。

1.1 航道疏浚測量分析系統(tǒng)技術(shù)特點

（1）全新內(nèi)核，速度快，功能強大；

（2）向?qū)讲僮鳎唵慰煽浚?/p>

（3）工程化的數(shù)據(jù)管理模式，確保圖形和原始數(shù)據(jù)實時安全的記錄；

（4）開放式端口，支持多種數(shù)據(jù)格式，可連接國內(nèi)外所有型號的GPS、測深儀等硬件設(shè)備。

該系統(tǒng)將采用RTK作為坐標采集手段，并自架基準站，通過1+1的工作模式來定位，這樣我們的定位精度和施工效率在所有河段都可以得到保證。

1.2 水上測量

在船上安裝測深儀，連接好鼠標鍵盤及換能器（須固定牢靠），在換能器桿上架設(shè)好S82移動站連上測深儀，通過PCSS軟件將GPS坐標及測得的水深數(shù)據(jù)聯(lián)系得到測點的空間坐標，既而測得測區(qū)的地形圖。

為了得到連續(xù)、穩(wěn)定可靠的水深值，系統(tǒng)采用南方SDE28數(shù)字化回聲測深儀來測量水深值。聲波在水中的傳播速度為V，換能器（探頭）發(fā)出超聲波，聲波經(jīng)探頭發(fā)射到水底，并由水底反射回到探頭被接收，測得聲波信號往返行程所經(jīng)歷的時間為t，則：Z=Vt/2；同時根據(jù)探頭上固定桿的刻度可獲知水面與探頭之間的距離，即吃水深度，兩者之和即為最終水深值，如圖1。

1.3 該組成系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）減少內(nèi)外業(yè)操作步驟，大大提高工作效率；

（2）采用1+1模式測量，只需第一次測量求取參數(shù)，之后架設(shè)好基準站后只需在已知點校對即可，保證測區(qū)的測量精度；

（3）數(shù)字測深儀精度高（±1 cm+0.1%D），自帶的工控電腦方便外業(yè)測量；

（4）數(shù)據(jù)無縫連接，可靠性好；

（5）工程質(zhì)量檢測時，斷面自動匹配、對比分析；

（6）系統(tǒng)自動生成所需格式的表格、圖形等成果；

（7）圖形成果標準統(tǒng)一，方便成果上交和各施工單位或兄弟單位共享使用；

（8）與數(shù)字化測量船相比，該套系統(tǒng)還有抗電磁環(huán)境干擾性強，無作業(yè)盲區(qū)等優(yōu)勢；

（9）輕便、小型、攜帶安裝方便。硬件總重量約11公斤，1～2人可以操作，可安裝在小舢板上，大小航道都可測量，適應(yīng)性強，使用成本低。

2 系統(tǒng)測量流程

測量流程：測量控制點—— 陸上地形測量—— 水深測量—— 繪制航道平面地形圖—— 進行航道中心線設(shè)計及確定設(shè)計參數(shù)—— 生成航道平面圖—— 自動生成航道斷面圖—— 自動生成土方計算表。

2.1 測量控制點

測區(qū)附近若有控制點則可引控制點到測區(qū)，若無控制點可采用自定義的坐標系。至少需要兩個已知點便于求取參數(shù)。

2.2 陸域測量

對航道兩側(cè)沿岸區(qū)域內(nèi)的測量，范圍依據(jù)航道處需要而定，一般包括沿岸公路，居民住宅，岸線，淺水區(qū)域，岸標，護河堤壩，水文站等要素。

2.3 水深測量

將GPS，測深儀，工控型電腦組合一起，利用GPS 獲得坐標，測深儀獲得水深數(shù)據(jù)，筆記本電腦運行本軟件進行采集、存貯，這樣可進行長時間大面積水域測量，可以為海洋、航道、內(nèi)河，提供水深圖的數(shù)據(jù)以供處理成圖。一般測量要比設(shè)計的斷面線稍寬，保證設(shè)計區(qū)域數(shù)據(jù)的完整性。由于船的吃水及測深儀水深小于30 cm的測量誤區(qū)，淺水區(qū)域（小于60 cm）測量困難較大，但對于設(shè)計航道區(qū)域并無影響。為了保證收到的水深測量回波的良好，換能器應(yīng)固定牢靠。

2.4 繪制航道平面地形圖

針對成果圖形要求，我們對CASS的二次開發(fā)，使得軟件有了航道測量專用圖框和航道每條橫斷面樁號的確定方式，以及以橫斷面為軸線，測量點可以自動內(nèi)插；最重要的是航道成圖軟件有可以輸出斷面數(shù)據(jù)給斷面測量分析軟件的功能，該功能可使所有斷面圖形設(shè)計工作在航道成圖軟件上完成，然后直接導(dǎo)入斷面測量分析軟件，在這個過程中，圖形完整，數(shù)據(jù)不丟失。

2.5 航道中心線設(shè)計及確定設(shè)計參數(shù)

在航道測量軟件中畫出設(shè)計好的航道中心線。確定設(shè)計航道底標高、航道底寬和邊坡系數(shù)等參數(shù)。

2.6 生成航道平面圖

在軟件中輸入航道中心線和設(shè)計參數(shù)， 形成完整的航道平面圖。

2.7 航道斷面圖和土方工程量計算表

系統(tǒng)會自動生成航道斷面圖和土方工程量計算表。生成如圖2所示。

3 斷面測量分析流程

系統(tǒng)滿足測量時的匹配、顯示和自動對比功能，并將它移植到工控電腦上，測量時在工控電腦屏幕上該軟件與水深測量、圖形導(dǎo)航界面同時顯示。在此過程中匹配和疊加斷面，并作出對比分析，用例圖、類圖、對象圖、活動圖、布署圖、構(gòu)件圖貫穿整個過程。

4 系統(tǒng)精度分析

S82采用一體化設(shè)計，集成GPS天線、UHF數(shù)據(jù)鏈、OEM主板、藍牙通訊模塊、鋰電池，其RTK定位精度：平面±（2 cm+1 ppm），垂直±（3 cm+1 ppm）。

SDE-28測深儀性能與技術(shù)指標如下所述。

聲速范圍：1 300～1 650，測量深度：0.39～300 m，測深精度：±1 cm+0.1%，吃水范圍：0～9.9 m，分辨率：1 cm。

輕便型航道疏浚測量系統(tǒng)的精度取決于RTK及測深儀的精度，系統(tǒng)綜合精度可達到平面±（2 cm+1 ppm），垂直±（3 cm+1 ppm）。SDE-28測深儀的測深精度為±1cm+0.1%，遠遠高于國家規(guī)定的精度指標。

參考文獻

[1] 楊久東，馬飛虎，孫翠羽，等.聲納測深數(shù)據(jù)濾波及實踐[J].測繪信息與工程，2010（1）：49-50.

[2] 羅深榮.側(cè)掃聲納和多波束測深系統(tǒng)在海洋調(diào)查中的綜合應(yīng)用[J].海洋測繪，2003（1）：22-24.

[3] 李敬，肖毅宏.航道疏浚工程竣工驗收測量技術(shù)研究[J].價值工程，2013（4）：52-53.