水下地形測量的影響因素及解決方法

史 紅 禮，王 池

(中國水利水電第七工程局有限公司 國際工程公司，四川 成都 610081)

1 概 述

三維坐標(X,Y,Z)是繪制地形圖最基本的數(shù)據(jù)。水下地形測量是由地面三維坐標(X,Y,Z1)和水深測量(Z2)相結合實現(xiàn)的，即(X,Y,Z1+Z2)。水上平面測量可以采用全站儀、GPS等常規(guī)方法實現(xiàn)，但在水中采集水下三維坐標的方法相對比較復雜，通常采用測深儀予以實現(xiàn)。筆者以回聲測深儀為例做一簡單分析。

2 回聲測深儀(echo-sounder)的定義、工作原理及種類

回聲測深儀是利用聲波在水中反射的信息計算出水深的儀器。

回聲測深儀的工作原理是利用一組發(fā)射換能器在水下發(fā)射聲波，使聲波于垂直方向在水域介質中傳播，待碰到目標后再被反射回來，被反射回來的聲波被接收換能器接收，根據(jù)聲波往返的時間和所測水域中聲波傳播的速度即可以求得障礙物與換能器之間的距離，然后再由聲納分析員或計算機處理所收到的信號，進而確定目標的參數(shù)和類型。

回聲測深儀類型很多，大體可分為記錄式和數(shù)字式兩類。通常其均由振蕩器、發(fā)射換能器、接收換能器、放大器、顯示和記錄部分組成，宜用于水深大于20 m的水域。

3 影響回聲測深儀測量水深的主要因素

聲波在水域中的傳播速度隨水域的溫度、鹽度和水中壓強等變化。在水下地形測量中，對傳播速度影響最大、最常見的因素為水溫、水的流速、風浪、水中雜質、平面采集數(shù)據(jù)誤差及平面測量與水深測量過程中讀取數(shù)據(jù)是否同步的誤差，筆者對主要因素進行了分析：

(1)介質對回聲測深儀測量水深的影響。

聲音的傳播速度與介質的密度成正比。水的密度比空氣高約800倍，故其傳播速度比空氣快的多，而水密度最高的時候在4 ℃(水分子的特性，使其結冰后膨脹，分子撐開后反而密度小，傳播速度慢)，此時傳播速度最快。當然，在4 ℃以上、溫度更高、密度更小時其傳播速度越慢。例如，常溫下，海水中聲速的典型值為1 500 m/s。如果測得聲脈沖在水中往返的時間為3 s，則海水的深度為2 250 m，即1 500×3/2=2 250(m)。由于聲波在海水中的傳播速度隨海水的溫度、鹽度和壓力的變化而變化，所以，常溫時海水中的聲速的典型值為1 500 m/s，淡水中的聲速為1 450 m/s。在每次使用測深儀之前，必須對測深儀做吃水對比試驗。首先量取待測區(qū)域的水溫，在對測深儀做零位和吃水校正后，對水深量化器做聲速調整，使工前和工后測得的水深結果一致。

(2)水的流速影響及注意事項。

通常情況下，測量水深的過程是將測深儀連接在測量船上進行的，水的流速對船體的沖擊也會直接影響到測量的精度。對于水深小于15 m、流速小于2 m/s的水域，測深中誤差為±0.15 m;對于水深小于20 m、流速小于3 m/s的水域，測深中誤差為±0.2 m;對于水深大于20 m且流速大于3 m/s時，通過采取盡量控制船體的速度的方式，測深中誤差亦按照±0.2 m計算。

(3)水中雜質的影響及注意事項。

水底為樹林或灌木叢生的區(qū)域不宜使用測深儀。在一般深水區(qū)域，聲波常會碰到水中的懸浮物及水中生物，其亦會反射回接收器，因此會接收到錯誤的數(shù)據(jù)，為繪制地形圖提供錯誤的信息。為避免此類情況的發(fā)生，對于有經(jīng)驗的測繪工作者，常采用減慢測船的行進速度、加密收集測點及對收集到的數(shù)據(jù)繪制等高線并對等高線進行分析、點位篩選或多次復測，最終達到理想的水下三維坐標數(shù)據(jù)。

(4)水深及水下陡坎的影響。

塔貝拉水電站現(xiàn)有4號隧洞進水口處需安裝兩套疊梁門進行封堵以滿足下游豎井開挖的施工條件。疊梁門門槽底部高程為353.53 m，庫區(qū)水位常年在高程430～474 m之間交替變化，由此可見疊梁門的安裝封堵必須在水下約100 m處施工。因此，必須對深水水下地形進行精準測量以反映水下地貌情況，為施工設計提供準確圖形。

由于受水深及水下陡坎的影響，前期的多次測量數(shù)據(jù)與現(xiàn)有結構不符。通過實踐總結，所采取的處理辦法為：對于水深，采用更換測深儀的方式，滿足相對段位的百米以上測深儀器采集數(shù)據(jù)。對于深水下大陡坎區(qū)域采取兩種處理方式：其一為水面精準定位，測量船到達陡坎頂部時停止，采用單點靜態(tài)采集數(shù)據(jù)，但該方式效率較低；其二為購置高價位、先進的多波束測深儀器。兩種方式各有利弊，可根據(jù)項目的具體情況采用測量方法。

(5)風浪的影響及注意事項。

一般情況下應盡量避免在風浪天氣對工作區(qū)域進行水下地形測量。因為測船在風浪天氣時搖擺不定，船首附近受水流的沖擊影響較大，也容易在換能器底部產(chǎn)生氣泡，這種環(huán)境下接收器接收的數(shù)據(jù)不能正確反映測區(qū)的水下三維坐標。

(6)平面數(shù)據(jù)采集與水深數(shù)據(jù)采集的時差影響。

在常規(guī)測量過程中，從經(jīng)濟適用性方面考慮，一般的項目會采用全站儀結合回聲測深儀實現(xiàn)水下三維坐標的測量，但會存在全站儀讀取數(shù)據(jù)與測深儀讀取數(shù)據(jù)之間的時差問題而影響到數(shù)據(jù)的精度。如果要求更高精度的數(shù)據(jù)，也可采用GPS-RTK配合數(shù)字化測深儀實現(xiàn)。這種方式是通過數(shù)據(jù)線直接連接便攜式電腦記錄數(shù)據(jù)，可以減少讀數(shù)與記錄之間的時差，更及時、準確地反映實測數(shù)據(jù)。

4 結 語

水下地形測量是水上平面測量和水中水深測量相結合實現(xiàn)的，因此，測深點的定位可根據(jù)不同情況和條件選擇測角前方交會法、全站儀極坐標法、GPS定位等方式。但是，不管采用哪種方式，由于水域自身影響的因素很多，在實際測量過程中，只要能按照以上的描述加以注意，就能得出理想的測繪數(shù)據(jù)。然而，關鍵的是在繪制地形圖的過程中要對原始數(shù)據(jù)生成的等高線加以分析，再對所測數(shù)據(jù)進行篩選，主要表現(xiàn)在三維地形圖形中不能出現(xiàn)等高線交叉、直拐或非圓滑變化等錯誤特性。如果篩選后繪制的地形圖還存在類似問題，就必須對該區(qū)域進行重測，直到得出能夠實際反映水下地形的三維坐標，最終繪制出合格的地形圖。