水下地形測(cè)量的幾種方法

高登山 王小琴

【摘 要】伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展，在水下地形測(cè)量方面已經(jīng)取得了較為突出的成就，水下地形測(cè)量有助于掌握水下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)航運(yùn)、水下石油、礦山開采有很大幫助。筆者總結(jié)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)幾種常用的水下地形測(cè)量方法進(jìn)行闡述，同時(shí)結(jié)合GPS技術(shù)對(duì)水下地形的測(cè)量提供強(qiáng)大的理論支撐，希望能夠?yàn)槲覈?guó)河道湖泊的治理提供正確的方法。

【關(guān)鍵詞】水下地形 測(cè)量方法 GPS 技術(shù)

水下地形測(cè)量是通過測(cè)量?jī)x確定水底坐標(biāo)，從而提高對(duì)海洋、湖泊等的治理效率，我國(guó)對(duì)于水下地形測(cè)量的重視程度正逐漸的提升，尤其是水下設(shè)計(jì)與施工更是目前我國(guó)急需解決的重要問題，通過采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)提高水下地形測(cè)量的準(zhǔn)確度，而測(cè)量方法的選擇將極大的影響水下施工的效率與治理，因此，本研究將對(duì)水下地形測(cè)量的原理及要點(diǎn)進(jìn)行探究，并對(duì)水下地形測(cè)量工作的前景進(jìn)行展望。

1 水下地形測(cè)量的原理

目前，我國(guó)的水下地形測(cè)量大多使用GPS定位技術(shù)以及GPS-RTK技術(shù)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法具有很多的局限性，不能夠適用于寬度較大、河流匯集較多的河床，而回升探測(cè)儀能夠進(jìn)行多角度的測(cè)量，不僅能夠提供準(zhǔn)確、清晰的圖像信息，還能夠確定出水下的高度等。與此同時(shí)，GPS-RTK測(cè)量技術(shù)是通過基準(zhǔn)站設(shè)置的接收設(shè)備來直接獲取水下坐標(biāo)的信息，并對(duì)接收的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，確定觀測(cè)值，實(shí)際上，水下地形的測(cè)量是通過三維直角坐標(biāo)系決定的，而GPS定位技術(shù)能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)坐標(biāo)準(zhǔn)確的求出。還可以使用免驗(yàn)潮的方法進(jìn)行水下地形測(cè)量，也就是將GPS的天線設(shè)置在探測(cè)儀的正下方，這樣能夠便于較高程度的模型計(jì)算，使得水下地形的信息更加準(zhǔn)確，需要注意的是對(duì)于儀器設(shè)備的選擇要根據(jù)實(shí)際的水文信息而定，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的選擇也要在經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員的指導(dǎo)下進(jìn)行。另一方面，深測(cè)儀的工作原理是通過聲納的探測(cè)獲得與水底深度、溫度、鹽度以及儀器誤差等因素，筆者參考了深測(cè)儀數(shù)據(jù)的計(jì)算公式，總結(jié)出測(cè)度測(cè)量的準(zhǔn)確度受制于水深比例的誤差，因此，在選擇測(cè)量?jī)x器時(shí)要注意量程的大小以及靈敏度的高低等。

2幾種常見的水下地形測(cè)量方法簡(jiǎn)介

2.1水位監(jiān)測(cè)法

此種方法可細(xì)分為自動(dòng)與人工監(jiān)測(cè)兩種，使用期限比較長(zhǎng)，屬于水下地形測(cè)量的傳統(tǒng)方法。監(jiān)測(cè)站通常采取自動(dòng)監(jiān)測(cè)法，儀器按照6小時(shí)至12小時(shí)一次的頻率記錄數(shù)據(jù)。因此，自動(dòng)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于資料較為全面、查閱方便。但結(jié)合目前情況來看，此種方法的局限性與滯后性也非常明顯，主要體現(xiàn)在下述幾個(gè)方面：一、采樣間隔長(zhǎng)。由于間隔過長(zhǎng)，記錄下來的數(shù)據(jù)無法對(duì)水面狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)反映，如果在海拔高程計(jì)算中采用此種方法，極易導(dǎo)致偏差過大、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。二、監(jiān)測(cè)站距離遠(yuǎn)。通常來講，每?jī)蓚€(gè)監(jiān)測(cè)站的距離一般都大于50千米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)量工作的實(shí)際范圍，在這樣的情況下，反映出來的水位狀況有效性不會(huì)太高。

人工監(jiān)測(cè)通常只能在臨時(shí)測(cè)量中應(yīng)用，使用過程中需架設(shè)水尺，水位值觀測(cè)時(shí)間間隔為15分鐘至30分鐘。此種方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠如實(shí)、準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際情況，但是不足之處也非常明顯：適用范圍有限、操作麻煩、工作進(jìn)度得不到保障?？偠灾?，傳統(tǒng)的水位監(jiān)測(cè)法都有一個(gè)共性，即觀測(cè)準(zhǔn)確度較低，在這樣的情況下，為了保證水下地形測(cè)量工作的實(shí)效，具體工作中要注意積極采用新的測(cè)量技術(shù)和方法。

2.2前方交匯法

前方交匯法適用于大多數(shù)的水域測(cè)量，其包括中分大平板儀方向交匯法和經(jīng)緯儀方向交匯法。大平板儀方向交匯法能找準(zhǔn)測(cè)量船上的標(biāo)記對(duì)于測(cè)圖板的設(shè)置及透明紙的編制起到積極促進(jìn)作用，具體的操作方法就是將透明紙圖放在測(cè)圖板上再按照控制點(diǎn)的位置逐步推移，如果方向相同就將其延長(zhǎng)，兩線相交的位置就可以作為定位點(diǎn)，由此可見，此法是利用圖解定位從而減少實(shí)地測(cè)量所產(chǎn)生的誤差，需要注意這種方法限制在一比五千比例尺下的測(cè)量。另一種方法是經(jīng)緯儀方向交匯法，其能夠消除傳統(tǒng)方法所具有的一切誤差，尤其是將三維坐標(biāo)以圖表的形式呈現(xiàn)在分析人員面前，使得水下地形測(cè)量工作的效率得到極大的提高，繪圖人員只需要將測(cè)得的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)編好的程序中，就可以顯示坐標(biāo)定位點(diǎn)，從而進(jìn)行水下測(cè)量、施工工作。

2.3斷面索法

斷面索法就是使用經(jīng)緯儀將河岸上空的斷面索做好標(biāo)記，確保水下施工能夠擁有準(zhǔn)確的定位，這種方式具有穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，適用于水流湍急河段的水下測(cè)量及施工，盡管斷面索法的精確度比較高，但是所耗費(fèi)的成本較高，需要技術(shù)過硬的施工人員才能完成，一些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)還沒有能力使用此法進(jìn)行水下測(cè)量，而且，如果河道過寬將很難確定懸空索的標(biāo)定位置，因此，沿海的區(qū)域不建議使用這種方法。

2.4電磁波測(cè)距極坐標(biāo)定位法

電磁波測(cè)距極坐標(biāo)定位法是一種現(xiàn)代化的水下測(cè)量技術(shù)，利用經(jīng)緯儀的跟蹤功能將測(cè)量船的信息反饋到反光棱鏡上，這樣就能夠?qū)⒆鴺?biāo)信息直接反映到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，不極大的提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度，還使得定位的準(zhǔn)確度同比于傳統(tǒng)方法有所增強(qiáng)，另一方面，電磁波測(cè)距極坐標(biāo)定位法不會(huì)受到海域、環(huán)境等因素的影響，即便是量程很大的海域也能夠反饋真實(shí)的數(shù)據(jù)，因此，此法在一定程度上減輕了測(cè)量人員的工作量，還使得水下交匯的盲區(qū)問題得以解決，能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 GPS技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

3.1GPS系統(tǒng)的選擇

隨著我國(guó)全球定位系統(tǒng)的發(fā)展與完善，其在水下地形測(cè)量中有著越來越廣泛的應(yīng)用，但是，GPS系統(tǒng)的選擇直接影響水下地形測(cè)量工作的質(zhì)量，測(cè)量設(shè)備需要GPS完成水上的定位與導(dǎo)航，需要數(shù)字記錄儀對(duì)水深進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，還要有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)時(shí)的定位數(shù)據(jù)對(duì)于整個(gè)測(cè)量工作是至關(guān)重要的，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的水下情況進(jìn)行靜態(tài)差分定位以及動(dòng)態(tài)差分定位。與此同時(shí)，RTK技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)野外的厘米級(jí)準(zhǔn)確定位，不僅使得每一個(gè)定位的結(jié)果與觀測(cè)數(shù)值統(tǒng)一，更為GPS測(cè)量的準(zhǔn)確性提供保障。

3.2利用GPS確定水面高程法

通過GPS的RTK工作模式能夠在實(shí)測(cè)之前準(zhǔn)確地設(shè)定基準(zhǔn)站的平面和高程坐標(biāo)，進(jìn)入差分工作狀態(tài)后，將流動(dòng)站GPS接收機(jī)架設(shè)于水邊，測(cè)得GPS天線幾何中心的高程數(shù)據(jù)，再加上GPS天線到水面的高度，即可反算得水面高程。將GPS RTK與深測(cè)儀方法結(jié)合在一起不僅能夠補(bǔ)充水位測(cè)量的資料，還能夠提高測(cè)量的精確度，也就是說，GPS在水邊進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)的同時(shí)采用RTK工作模式就能夠使得水文站的測(cè)量誤差控制在五厘米以內(nèi)。另一方面，利用GPS確定水面高程還具有一定的局限性，如果遇到水面起伏波動(dòng)很大時(shí)就會(huì)影響GPS天線的接收，可以通過多次測(cè)量取平均值的方法加以改進(jìn)，從而獲得較為理想的水面高程。

3.3基準(zhǔn)站的布設(shè)

在應(yīng)用GPS技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)基準(zhǔn)站的布置起到至關(guān)重要的作用，一般情況下都是在水上測(cè)量之前先在河岸上設(shè)置控制點(diǎn)，如果能夠?qū)⑦@兩道工序同時(shí)進(jìn)行就可以極大的提高測(cè)量工作的效率，而GPS的RTK工作模式恰好是采用載波技術(shù)獎(jiǎng)這種實(shí)時(shí)的差分得以實(shí)現(xiàn)，只要滿足在既定的差分信號(hào)范圍內(nèi)使GPS接受設(shè)備持續(xù)測(cè)量三分鐘左右，就能夠完成RTK的工作，因此，布置合理的基準(zhǔn)站位置能夠使得勘察工作變得異常簡(jiǎn)便，節(jié)約了測(cè)量工作的時(shí)間，目前一般的雙頻GPS收機(jī)如果能實(shí)現(xiàn)RTK工作模式，都能達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度。

4案例分析

以云南瀾滄江糯扎渡電站為例，電站總庫容蓄水量為237億立方米。測(cè)量中采用了GPS-RTK技術(shù)，使用的地形圖比例為1：1000。測(cè)量區(qū)域的最大寬度為2.1千米，測(cè)量中使用了高精度測(cè)深儀，獲得了較為精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量過程中使用的測(cè)深儀型號(hào)為HD3800，其能夠?qū)崿F(xiàn)0.3米至600米范圍內(nèi)的準(zhǔn)確測(cè)量，聲速調(diào)整在1370m/s至1700m/s范圍內(nèi)，分辨率約為1m/s。此次測(cè)量中，Leical230的位置延遲在0.03秒以下，在以8m/s的速度航行時(shí)，由于庫區(qū)均深在50米以下，聲速在1450m/s左右，位置誤差在0.07米以下，高程誤差不超過0.01米，與測(cè)量要求的精度相符。

5水下地形測(cè)量的前景展望

我國(guó)對(duì)于水下地形測(cè)量工作的要求越來越高，需要先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)備來實(shí)現(xiàn)水下地形測(cè)量的自動(dòng)數(shù)字化，而GPS的RTK工作模式結(jié)合深測(cè)儀以及遙控船等設(shè)備能夠?qū)⑺碌匦螠y(cè)量更好的完善，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)情況特殊的水下地形測(cè)量任務(wù)，還可以提高面積大的水域的防御，對(duì)于我國(guó)沿海地區(qū)的安全監(jiān)測(cè)起到一定的幫助。另一方面，測(cè)量設(shè)備小型集成化的應(yīng)用使得水下測(cè)量工作更具自動(dòng)化，不僅節(jié)約了大量的人力、物力，更使測(cè)量的精確度不斷提高，尤其是最近研制的深測(cè)儀自動(dòng)存儲(chǔ)功能，使得勘測(cè)設(shè)備攜帶更為方便，而遙控船的靈活性更是將水下測(cè)量工作更加全面、準(zhǔn)確的完成。

6結(jié)語

綜上所述，本研究對(duì)水下地形測(cè)量的方法進(jìn)行探究，主要對(duì)GPS的RTK工作模式進(jìn)行介紹，強(qiáng)調(diào)了其在水下測(cè)量工作中的重要意義，對(duì)于提高水下測(cè)量的效率和準(zhǔn)確度起到至關(guān)重要的作用。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，GPS技術(shù)會(huì)更好的應(yīng)用于各項(xiàng)測(cè)量工作當(dāng)中，而水下測(cè)量工作的成熟對(duì)于我國(guó)航運(yùn)、水利以及資源的調(diào)查等都有積極的促進(jìn)作用，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展與進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉基余，李征航，王躍虎等.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用（M）.北京：測(cè)繪出版社，2003.

[2]王守彬，王新洲，劉曉東等，GPS一RTK與數(shù)字測(cè)深儀集成技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪信息與工程，2004，（6）：30-31.

[3] 趙建虎，張紅梅等.水下地形測(cè)量技術(shù)探討[J].測(cè)繪信息與工程，2009，88（4）：22-2-6.