水下地形測(cè)量技術(shù)方法應(yīng)用分析

李學(xué)恒

摘 要：本文基于水下地形測(cè)量技術(shù)進(jìn)行分析，先介紹了幾種常見(jiàn)的水下地形測(cè)量技術(shù)，包括人工水深測(cè)量技術(shù)、單波束聲吶測(cè)深技術(shù)、多波束聲吶測(cè)深技術(shù)、GPS定位測(cè)量技術(shù)，然后探討了無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量和無(wú)人測(cè)量船測(cè)深的具體應(yīng)用，以期為水下地形測(cè)量工作提供有益參考。

關(guān)鍵詞：水下地形測(cè)量；GPS-RTK技術(shù)；方法選用；技術(shù)分析

中圖分類號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

水下地形測(cè)量和陸地地形測(cè)量較為相似，在水域開(kāi)發(fā)的初始階段都需要做好測(cè)圖工作，但和陸地測(cè)量不同，海洋、河流、湖泊所要測(cè)量的是水下地形圖。水下地形圖有著廣泛的應(yīng)用，在遠(yuǎn)洋貨運(yùn)、港灣籌建、海域邊界劃分、都有著重要作用。也是監(jiān)控大陸板塊運(yùn)動(dòng)等任務(wù)不可或缺的基礎(chǔ)資料之一。筆者基于水下地形測(cè)量技術(shù)進(jìn)行分析，介紹最主要的幾種測(cè)量方法，總結(jié)相關(guān)內(nèi)容，提供給相關(guān)人士，供以借鑒。

1.水下地形測(cè)量概念

所謂水下地形測(cè)量，是在水下運(yùn)用一定的測(cè)量?jī)x器對(duì)地形進(jìn)行的測(cè)量，一般是通過(guò)確定三維坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。主要是水深測(cè)量，這是沿測(cè)深線方向，按一定間隔測(cè)取待測(cè)深度點(diǎn)（稱測(cè)深點(diǎn)）的深度，即測(cè)定水底點(diǎn)至水面的高度的測(cè)量工作，是水下地形測(cè)量的一個(gè)中心環(huán)節(jié)；在水深測(cè)量工作中，還要精確地測(cè)定深度點(diǎn)的平面位置，這項(xiàng)工作簡(jiǎn)稱為定位；水深測(cè)量需與陸地上平面位置與高程聯(lián)系起來(lái)才具有水下地形測(cè)繪等實(shí)用價(jià)值，測(cè)深與高程系統(tǒng)的聯(lián)系，一般通過(guò)水位觀測(cè)的措施。

2.水下地形測(cè)量技術(shù)方法

2.1 水深測(cè)量

根據(jù)使用的測(cè)量工具，測(cè)深方法主要有：人工測(cè)量、單波束聲吶測(cè)深儀測(cè)量、多波束聲吶測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量等。

（1）人工測(cè)量主要利用測(cè)深錘、測(cè)深桿對(duì)水深進(jìn)行測(cè)量。其中測(cè)深錘只適用于水深較小、流速不大的淺水區(qū)，且精度差、工作效率低，現(xiàn)已很少使用。這是較為傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，在現(xiàn)階段主要應(yīng)用在淺灘水深少于100cm的地區(qū)，因?yàn)檫@些地區(qū)水深過(guò)淺，聲吶難以準(zhǔn)確地反映出水下地形特征。

（2）單波束測(cè)深聲吶（也稱回聲測(cè)深儀）是目前用途最廣，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行水深測(cè)量的最基本的儀器。聲吶是仿生學(xué)的重大突破，其特點(diǎn)是能夠發(fā)出特定頻率的音頻聲波，聲波在和物體接觸的時(shí)候，會(huì)根據(jù)接觸面材質(zhì)的不同發(fā)生不同程度的回彈，而測(cè)探儀能夠接收到回彈的聲波，根據(jù)回彈的速度和聲波在水域的速度綜合分析研究，以確定儀器和前方物體之間的距離。若要求水面至水底的深度時(shí)，則應(yīng)將測(cè)得的水深加上換能器的吃水，可得水面至水底的深度。

2.2 導(dǎo)航定位

水下地形測(cè)量時(shí)，測(cè)量船須沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的測(cè)線行駛，并且按照規(guī)定的時(shí)間或距離獲取水深值和該水深值的平面位置。在20世紀(jì)90年代以前，有多種定位方法用于水下地形測(cè)量，如交會(huì)法、極坐標(biāo)法、微波測(cè)距系統(tǒng)和無(wú)線電定位系統(tǒng)等。目前，GPS幾乎完全取代了這些傳統(tǒng)的定位方法，成為水下地形測(cè)量工作中最主要的定位手段，傳統(tǒng)方法在實(shí)際工作中已經(jīng)極少使用了。特別是離岸較近的情況下使用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（簡(jiǎn)稱RTK）測(cè)量方式使定位更加簡(jiǎn)便快捷。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本思想是，在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見(jiàn)GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站。在流動(dòng)站上，GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及其精度。

2.3 水位觀測(cè)

水深測(cè)量需與陸地上平面位置與高程聯(lián)系起來(lái)才具有水下地形測(cè)繪等實(shí)用價(jià)值。測(cè)深與高程系統(tǒng)的聯(lián)系，一般通過(guò)水位觀測(cè)的措施。簡(jiǎn)單的水位觀測(cè)站為立在岸邊水中的標(biāo)尺，標(biāo)尺零點(diǎn)高程通過(guò)與水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)求得。水深測(cè)量期間，按一定時(shí)間間隔對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行讀數(shù)，并繪制成水位-時(shí)間曲線，由此曲線即可得到測(cè)深時(shí)水面的瞬間高程，從而根據(jù)水深就可得到水底的高程。在落差較大的地區(qū)，應(yīng)設(shè)置多個(gè)水位觀測(cè)站，并利用其測(cè)值按距離或高差進(jìn)行歸算改正。

3.水下地形測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

3.1 無(wú)驗(yàn)潮（水位觀測(cè)）水下地形測(cè)量

水上測(cè)量可以采用GPS無(wú)驗(yàn)潮方式進(jìn)行工作（RTK方式）?；驹硎菍PS流動(dòng)站的天線與測(cè)深儀的換能器安置在同一平面位置，作業(yè)時(shí)流動(dòng)站根據(jù)基準(zhǔn)站通過(guò)電臺(tái)發(fā)送的改正數(shù)實(shí)時(shí)改正自身的測(cè)量值，獲得點(diǎn)位的厘米級(jí)精度的平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)，同時(shí)數(shù)字測(cè)深儀獲取該平面位置處的水深數(shù)據(jù)，根據(jù)觀測(cè)的水面高程計(jì)算出該平面位置處水下點(diǎn)的高程坐標(biāo)，與RTK獲得的平面坐標(biāo)一起組成水下點(diǎn)的三維坐標(biāo)。然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字成圖軟件就可以編輯生成需要的水下地形圖。RTK無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深能消除波浪和潮位（水位）變化的影響，是一種理想的水上測(cè)量方法。

3.2 無(wú)人測(cè)量船測(cè)量水下地形

科技的發(fā)展使得測(cè)量行業(yè)也有了巨大變革，無(wú)人船也被投入到了現(xiàn)階段的水域測(cè)量工作，能夠?qū)⑺聹y(cè)量的設(shè)備裝載到無(wú)人船上，通過(guò)精確的聲吶、全球定位系統(tǒng)等遙感設(shè)備，結(jié)合新興的遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)操作技術(shù)人員在岸上就能夠時(shí)時(shí)的監(jiān)控?zé)o人船只情況，并就無(wú)人測(cè)量船回傳的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。但在離岸較遠(yuǎn)或風(fēng)浪較大的水域無(wú)法應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，水下地形測(cè)量的需求不斷增加。水下地形測(cè)量的手段有很多種，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并存。因此，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)依據(jù)工程的具體情況而選擇恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法，除了對(duì)測(cè)量時(shí)的環(huán)境因素和精度進(jìn)行全面考慮之外，還應(yīng)當(dāng)不斷的創(chuàng)新，采取科學(xué)的手段來(lái)彌補(bǔ)測(cè)量手段的不足之處，從而在未來(lái)的道路上可以使水上測(cè)量事業(yè)的不斷進(jìn)步。

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