航道測量方法及數(shù)字地形模型建設(shè)探討

張欣　彭洋　熊嘉荔

摘 要：近年來，航運事業(yè)發(fā)展迅速，作為航運安全、穩(wěn)定發(fā)展的信息與技術(shù)來源，航道測量也面臨著新一輪的挑戰(zhàn)。航道測量作為一項重要的測量勘察工作，具有較強的技術(shù)性，且相關(guān)影響因素較多，針對關(guān)鍵性的航運指標，需要全面細致的勘測。因此，結(jié)合長江航道測量中心的實踐過程，探討航道測量的方法以及數(shù)字地形模型的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：航道；測量方法；數(shù)字地形；模型建設(shè)

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.26.087

在水運現(xiàn)代化事業(yè)不斷發(fā)展的過程中，就航道的日常管理與長遠的發(fā)展規(guī)劃來看，都對航道建設(shè)管理技術(shù)提出了更高的要求。要實現(xiàn)安全、穩(wěn)定的發(fā)展，就必須在與航運相關(guān)技術(shù)參數(shù)的信息分析、輔助決策以及處理辦法等方面進行改進。近幾年來，長江航道測量中心致力于長江干線航道基礎(chǔ)測繪、科研測繪和重大應急測繪，長江干線航道信息化數(shù)據(jù)管理、信息化項目組織實施與運行維護。在航道測量方法以及數(shù)字地形模型的建設(shè)等方面，長江航道測量中心也做出了一定的貢獻，本文即結(jié)合相關(guān)實踐，對航道測量的方法、數(shù)字地形模型建設(shè)進行分析。

1 航道測量

1.1 航道測量概述

航道測量針對通航水域進行測繪，主要包括通航河道全部河床范圍內(nèi)的水下水上地物、地形以及兩岸范圍內(nèi)的地物標志的測量，地磁偏差的測量，水流的觀測，限航物與航行障礙物的測量。在航道圖的繪制中，長河段航道圖是某一河段全航線的連續(xù)航道圖，反映了全部河床范圍的水深、地物、地形以及岸上一定范圍的地物標志，尤其是與航行相關(guān)的地物、港區(qū)水域、水下障礙物、陸域的設(shè)施、助航設(shè)施等，以及礁石等障礙物的位置、高度，可為航道規(guī)劃、航運管理以及航行作業(yè)提供重要的參考。對此，長江航道測量中心通過強化科技創(chuàng)新，借助現(xiàn)代測繪技術(shù)與地理信息等前沿科技自主研發(fā)了長江電子航道圖系統(tǒng)，為航運管理部門、港航企業(yè)、航行船舶以及社會公眾持續(xù)提供及時、權(quán)威、豐富的電子航道圖數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.2 航道測量方法

航道測量的關(guān)鍵在于其結(jié)果的可靠性與準確性，若在測量過程中出現(xiàn)偏差與失誤，將會對航運的安全造成威脅。航道測量方法是決定測繪任務(wù)完成質(zhì)量的關(guān)鍵所在，因此，選擇合理、高效的航道測量方法，對航道測量工作有著重要意義。在規(guī)劃與設(shè)計航道測量方案時，應當遵循以下基本原則：

先進行整體控制測量，后分期數(shù)字地形建模；先完成航道兩側(cè)的水上測量，后進行航道的水下建模；先市區(qū)內(nèi)測量，后轄縣分段建模。

1.3 航道測量技術(shù)

航道測量技術(shù)的發(fā)展涉及到多個學科。根據(jù)航道測量的主要工作（水下地形測量）進行劃分，大致可分為測深、定位。

航道測量定位技術(shù)主要指水深點平面位置測定與地形點的平面位置測定。現(xiàn)代航道測量定位技術(shù)經(jīng)歷了從光學定位、電子儀器定位到衛(wèi)星定位的發(fā)展。上世紀90年代中后期以美國GPS為代表的全球衛(wèi)星系統(tǒng)進入商業(yè)化應用，我國海洋測繪領(lǐng)域即迅速引入該技術(shù)并展開應用研究。在航道測量工作中，全球定位系統(tǒng)技術(shù)應用較為廣泛。近20年來，我國航道測量定位技術(shù)先后經(jīng)歷了差分GPS定位（DPS）、連續(xù)參考站（CORS）、精密單點定位（PPP）幾個應用發(fā)展階段。目前航道測量工作中，主要采用載波相位差分技術(shù)（RTK）與CORS技術(shù)，省級CORS站網(wǎng)建設(shè)已基本完成，長江部分區(qū)段CORS的應用已相對成熟。PPP通過全球若干地面跟蹤站GPS觀測數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星軌道與衛(wèi)星鐘差進行精密計算，對單臺GPS接收機采集的相位、偽距觀測值進行定位解算。與DPS、CORS的精度相比，PPP的精度略低，但因其具有應用靈活、觀測人數(shù)少、費用低等優(yōu)勢，能夠滿足一定比例尺下的航道測量精度，因而具有較好的應用前景。

航道水深是指航道范圍內(nèi)從水面到底部的垂直距離。航道測深技術(shù)經(jīng)歷了直接測深、聲學測深以及光學測深的發(fā)展過程。主要測量方法有桿式與測深錘的直接測深法、單波束或者多波束的聲學測深法、機載激光的光學測深法。直接測深法受到水流以及水深的影響較大，因而在現(xiàn)階段的航道測量中應用較少。聲學測深的原理是利用所測水域聲波傳速與換能器發(fā)出聲波的往返時間求算障礙物與換能器之間的距離。機載激光以固定翼飛機或直升機為平臺，向海面發(fā)射激光束，測量水深。機載激光測量技術(shù)突破了船載系統(tǒng)受海況、航行條件限制與效率低下等壁壘，具有較高的精度。

2 控制測量

2.1 控制測量概述

在航道測量的過程中，實施合理、有效的控制措施，從技術(shù)層面加強測量控制的力度，對測量結(jié)果的準確性與可靠性有著重要意義。就具體測量工作來看，根據(jù)航道測量方案的設(shè)計原則，結(jié)合測量工程實際選擇相應的測量技術(shù)，綜合考慮航道水下地形碎部與岸上測量時的需要，經(jīng)過圖上設(shè)計、實地踏勘以及選點埋石等工作，沿航道方向布設(shè)GPS控制網(wǎng)點。觀測網(wǎng)常見的構(gòu)網(wǎng)方法包括點連式、邊連式與混合式。對航道測量而言，控制測量包括平面控制與水位控制，其中平面控制是關(guān)鍵。

2.2 平面控制

GPS定位技術(shù)的準確性能夠提高航道測量的精度，在測量工程中通常采用GPS全球定位系統(tǒng)。在測量前，應當先對現(xiàn)場進行踏勘，選取控制點，規(guī)模較大的測量項目，還應當結(jié)合航道區(qū)域內(nèi)的天氣、交通以及網(wǎng)形等情況編制作業(yè)調(diào)度計劃表。在進行地形、水深測量時，需架設(shè)基站，并對界碑點進行測量校驗，填寫基站參數(shù)記錄與校驗記錄等，以保證平面控制的質(zhì)量。在進行GPS點位的選擇時，應當考慮保存與使用的方便性，同時保證在地平仰角15°以上的視野內(nèi)無障礙物，避開電磁輻射源，避免多路徑效應誤差。若GPS周圍地平仰角15°以上的視野內(nèi)有障礙物，或者周圍有大面積水域，應當繪制環(huán)視圖。目前測量中較為常用的平面控制測量技術(shù)為RTK，GPS-RTK測量的靈活性使得其適用于航道測量工作。

3 數(shù)據(jù)采集

在測量時，先對航道兩岸的地形特征數(shù)據(jù)信息進行采集，常見的采集方法為全站儀極坐標法，針對個別測段，也可采用RTK進行。在接到航道數(shù)據(jù)采集任務(wù)后，應當做好現(xiàn)場的踏勘工作，對相關(guān)技術(shù)要求進行分析，設(shè)計合理的數(shù)據(jù)采集方案，同時從以下兩方面做好準備工作：

（1）做好工作小組的組織規(guī)劃，明確、細化分工，提高小組人員的質(zhì)量意識，明確自身職責；

（2）依照采集方案選擇合適的儀器設(shè)備，并做好校正與檢驗工作，以減少因設(shè)備儀器造成的系統(tǒng)誤差。

就航道測量技術(shù)來看，數(shù)據(jù)采集應當注意以下幾點：

（1）針對航道兩側(cè)通視困難、橋涵較少或交通不便等情況，數(shù)據(jù)采集要求兩側(cè)獨立采集，同時推進，并且保證數(shù)據(jù)的準確性與完整性；

（2）針對地形較為復雜的區(qū)域，應在開闊地區(qū)坎上、坎下打點，以地物合并的方法進行測量；

（3）針對航道附近的陡坎、公路、堤壩、道路交叉、溝心、邊坡處與不能使用等高線表示的地貌特征地區(qū)，應當加測高程注記點；

（4）在測量過程中，盡量發(fā)揮計算機在圖形平移、對稱、拷貝等方面的優(yōu)勢，以最大化減少野外作業(yè)的工作量。

在實施測量的過程中，應當從以下幾點進行測量過程控制：

（1）要求測量人員認真對待儀器的安置、瞄準、讀數(shù)、記錄、計算等環(huán)節(jié)，嚴格按照測量作業(yè)以及儀器操作的相關(guān)要求，避免誤測、誤讀、誤記、誤算等情況的出現(xiàn)；

（2）加強測站檢查，架設(shè)儀器時要求穩(wěn)固、準確對中（誤差不大于5mm），在一起檢驗無誤后進行下一步工序；

（3）具有很強的讀圖能力與方向感，對比例大小的控制能力強，保證草圖與實際情況的一致性，圖示符號與點號正確、規(guī)范書寫。

4 數(shù)字地形模型建設(shè)

4.1 數(shù)字地形模型

數(shù)字地形模型（DTM）最初因高速公路的自動設(shè)計而被提出，是構(gòu)建地形表面空間位置及其相關(guān)的屬性信息的數(shù)字化表示，是在地形采樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行的地形表面重構(gòu)。DTM主要用于地形狀況的描述，可從中提取坡向、坡度、粗糙度等各種地形參數(shù)，并進行流域結(jié)構(gòu)生成以及通視分析等應用分析。DTM應用廣泛，常用于城市規(guī)劃、路徑選取、地形勘察以及災害預測等方面。在地理信息系統(tǒng)（GIS）的建設(shè)中，基礎(chǔ)地形庫的建設(shè)約占整個系統(tǒng)的70%。因此，在GIS系統(tǒng)建設(shè)的過程中，基礎(chǔ)地形庫的建設(shè)占有重要地位。針對航運事業(yè)，要方便航道的GIS建庫、專業(yè)圖件繪制、數(shù)字地圖縮編，以準確反映航道的地形數(shù)據(jù)信息，就必須準確運用各種編碼，建設(shè)DTM。

4.2 數(shù)字地形模型構(gòu)建理論方法

數(shù)字地形表面建模主要有4種方法，即離散點建模、規(guī)則格網(wǎng)建模、三角網(wǎng)建模與混合表面建模。其中，離散點建模的實用性不強，而混合表面建模最終也多轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)建模，因此，規(guī)則格網(wǎng)建模與三角網(wǎng)建模是兩種最基本的建模方法。從離散點生成規(guī)則格網(wǎng)的算法較多，常見的有移動曲面擬合法、有限元內(nèi)插法以及距離反比加權(quán)法等。有相關(guān)研究指出，規(guī)則格網(wǎng)建模方法最終呈現(xiàn)的地形效果圖，與實際的地形結(jié)構(gòu)存在一定的差異；與之相比，基于三角網(wǎng)建模方法得到的效果圖，更加符合實際地形的結(jié)構(gòu)。從算法應用的過程進行分析，三角網(wǎng)建模方法具有高效率、高精度等優(yōu)點，且對構(gòu)造線以及斷裂線等的處理更為簡單，因而具有較為廣泛的應用。

4.3 模型建設(shè)

在數(shù)字地形模型建設(shè)的過程中，應當充分利用繪圖軟件所特有的圖像矢量化、圖像處理、基本對象的生成與復制、拓撲計算構(gòu)面、對象屬性表操作等功能，實現(xiàn)與GIS數(shù)據(jù)源之間的無縫連接；對地物代碼進行規(guī)范、統(tǒng)一，以體現(xiàn)GIS對空間信息數(shù)據(jù)的編碼要求；全面適應GIS以及相關(guān)建設(shè)要求的線型、線寬以及顏色與分層管理，為GIS注記分層提供條件；對地形原始數(shù)據(jù)按GIS的概念進行處理，以方便測圖系統(tǒng)與GIS的接軌。

5 結(jié)語

在航道測量與數(shù)字地形模型建設(shè)的過程中，地形數(shù)據(jù)的采集具有重要的地位，數(shù)據(jù)的采集方法、記錄格式以及數(shù)據(jù)精度等，都將對GIS的建設(shè)產(chǎn)生重要影響。在GIS的建設(shè)過程中，應當保證所采集數(shù)據(jù)的可靠性與準確性，將數(shù)字測圖系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)以GIS的概念進行重組。DTM是在地形數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上進行的地形表面重構(gòu)，對GIS的建設(shè)有著重要作用，可大幅提高GIS的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)更新的效率，促進航運事業(yè)安全、穩(wěn)定的發(fā)展。

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