無紙化測深技術(shù)在西部部分重要湖泊測量中的應(yīng)用

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(1.長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000；2.西藏自治區(qū)水文水資源勘測局，西藏 拉薩 850000)

我國西部部分重要湖泊測量是國務(wù)院第一次全國水利普查的后續(xù)工作，也是國家水利前期工作之一。我國西部地區(qū)湖泊眾多，特別是高原湖泊，多數(shù)位于高海拔地區(qū)，交通條件不便、自然環(huán)境惡劣。受技術(shù)、安全等眾多因素制約，大多數(shù)高原湖泊未開展過系統(tǒng)科學(xué)的測量工作，湖泊基礎(chǔ)資料匱乏、歷史資料空白。為滿足湖泊開發(fā)治理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源管理、科學(xué)研究等工作需要，了解和掌握西部重要湖泊基本信息具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義[1]。

高原湖泊水深測量精度是影響湖泊容積量算的一個重要因素。隨著電子技術(shù)及計算機圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，測深儀已能在輸出紙質(zhì)測深回波信號模擬記錄的同時，將測深回波模擬信號數(shù)字化，通過計算機將數(shù)字化信號轉(zhuǎn)換成電子圖像進(jìn)行儲存，并且能達(dá)到與回聲紙上的測深回波信號模擬記錄的同等效果，從而實現(xiàn)無紙化水深測量[2]。在高原湖泊測量中采用無紙化水深測量技術(shù)，能有效提高湖泊水深測量精度，對保證湖泊容積量算的準(zhǔn)確性和可追溯性具有重要意義。

1 Echotrac MKIII雙頻單波束測深儀

西部高原湖泊屬于山區(qū)性湖泊，湖區(qū)地形復(fù)雜，水深變化較大，在選用測深儀時應(yīng)考慮指向角及輸出功率等影響因素。選用較小指向角可提高復(fù)雜地形水深測量精度，輸出功率較大的測深儀能有效收集大水深下的回聲信號。2011～2015年，長江水利委員會水文局在測量青海湖、羊卓雍錯、扎日南木錯、塔若錯、當(dāng)惹雍錯和色林錯等多個高原湖泊時，綜合分析測深儀指向角、工作頻率、測深范圍及精度等主要性能因素后，選用了Echotrac MKIII雙頻單波束測深儀，取得了可靠的觀測成果。鑒于該測深儀既能滿足高原湖泊水深測量要求，又能實現(xiàn)無紙化測深，已經(jīng)成為高原湖泊水深測量的主要儀器。

1.1 測深原理

測深儀可分為單波束測深儀和多波束測深儀。Echotrac MKIII是一種雙頻單波束測深儀，其工作原理是利用換能器在水中發(fā)出聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物反射回?fù)Q能器時，根據(jù)聲波往返的時間和聲波在水域中的傳播速度，求得障礙物與換能器之間的距離。如圖1所示，設(shè)傳播時間為T，則換能器表面至水底的距離(水深)計算公式為

H=CT/2

(1)

式中，H為測量水深，即換能器表面至水底的距離加上換能器的吃水深度，m；C為聲波在水中傳播的速度，m/s；T為聲波發(fā)射經(jīng)水底反射至被接受所需要的時間，s。

1.2 主要性能指標(biāo)

Echotrac MKIII雙頻測深儀采用專業(yè)級別的回聲記錄器、數(shù)字化處理器、收發(fā)機、多功能處理器以及兩個專用數(shù)字信息處理器，協(xié)同進(jìn)行各項特定的分析，即使在復(fù)雜的海洋環(huán)境下也能有效、實時地精確測量。該測深儀配備有高分辨率熱敏紙記錄儀和全尺寸的高亮度彩色液晶顯示屏，既適合淺灘作業(yè)也適合深水操作，其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 Echotrac MKIII測深儀主要性能指標(biāo)

2 無紙化測深技術(shù)優(yōu)勢分析

2.1 回聲紙記錄水深誤差分析

圖2為某測深儀回聲記錄紙掃描圖。測深儀在水深測量過程中打印回波模擬信號時，可能產(chǎn)生的誤差包括機械誤差、打印延時響應(yīng)誤差、紙面水深分辯率誤差以及回聲紙存放后產(chǎn)生的模糊效應(yīng)誤差等。

圖2 測深儀回聲記錄紙掃描

(1)機械誤差是指由于打印設(shè)備的走紙不均勻、打印錯位、打印漏墨等產(chǎn)生的誤差。

(2)打印延時響應(yīng)誤差是指當(dāng)計算機水深定標(biāo)與定標(biāo)打印紙速不同步時產(chǎn)生的誤差，特別是當(dāng)船速較快時更為明顯，通常出現(xiàn)掉標(biāo)情況。

(3)紙面水深分辨率誤差是指由于紙的幅面大小影響導(dǎo)致水深分辨率較小而產(chǎn)生的人工水深判讀誤差，水深越大判讀誤差就越大。

(4)回聲紙存放誤差是指因回聲紙存放時間較長或存放環(huán)境較差而導(dǎo)致回波模擬記錄變模糊甚至消失等，特別是對于熱敏打印紙必須避光保存[2]。

采用人工方式在回聲記錄紙進(jìn)行水深數(shù)據(jù)量取及校對時，以上誤差均可能會直接導(dǎo)致水深測量精度降低。

2.2 數(shù)字圖像存儲水深數(shù)據(jù)優(yōu)勢

無紙化測深技術(shù)主要是由測深儀將測深回波模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過計算機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為圖像方式存儲。圖3為Echotrac MKIII 雙頻測深儀的回聲記錄數(shù)字圖像。

圖3 MKIII雙頻測深儀回聲記錄數(shù)字圖像

在高原湖泊測量中采用無紙化測深技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)測深儀的回波模擬信號記錄采用數(shù)字圖像文件儲存方式，水深測量的原始電子回聲記錄可長久保存，克服了紙質(zhì)回聲記錄需避光保存，且長時間存放后會模糊不清等缺點。

(2)測深儀的水深回波記錄是通過數(shù)據(jù)線與計算機連接并直接儲存在計算機儲存介質(zhì)上，避免了測深儀打印設(shè)備存在的機械誤差、打印延時響應(yīng)誤差等對水深測量精度的影響，可有效保證水深測量精度。

2.3 無紙化測深水深數(shù)據(jù)量校優(yōu)勢

目前，無紙化測深電子水深數(shù)據(jù)量校分析一般采用Hypack綜合導(dǎo)航軟件。Hypack綜合導(dǎo)航系統(tǒng)是美國Coastal海洋圖像公司為航道測量設(shè)計的專業(yè)導(dǎo)航軟件，在海底地形地貌測量、航道疏浚測量和土方量計算、水庫與河道的水下地形測量(包括數(shù)據(jù)處理)等方面應(yīng)用廣泛。Hypack軟件具備導(dǎo)航定位、數(shù)據(jù)處理(水深數(shù)據(jù)編輯、潮位改正、聲速改正等)、Tin模型生成、延遲測試等多種功能。通過Hypack軟件采用人機交互方式進(jìn)行無紙化測深電子水深數(shù)據(jù)量校分析具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)水深特征點插補和錯誤水深值修正非常方便，并能實時自動提取插補點位的準(zhǔn)確平面坐標(biāo)。采用Hypack軟件調(diào)入原始水下測量斷面數(shù)據(jù)(log文件)前，應(yīng)先選定一典型斷面的往返測量數(shù)據(jù)，通過軟件自帶的延遲測試功能進(jìn)行GNSS延時改正綜合系數(shù)求取，然后設(shè)置最終延時偏移和濾波參數(shù)等，濾波參數(shù)主要包括GPS模式、最少衛(wèi)星顆數(shù)、最大對地速度等。所有參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)入單波束數(shù)據(jù)編輯狀態(tài)。首先對當(dāng)前測線進(jìn)行濾波，濾波后回聲記錄窗口僅顯示當(dāng)前測線事件點信息，再根據(jù)回聲記錄窗口進(jìn)行水深特征點(轉(zhuǎn)折點、深泓點等)插補和錯誤水深值修正。對水深特征點插補時，通過計算機鍵盤左右鍵控制，首先在回聲記錄窗口中調(diào)至要插入位置，然后在斷面窗口界面恢復(fù)事件點信息后即可完成水深特征點插補，軟件還能同時自動提取插補點位的準(zhǔn)確平面坐標(biāo)。該軟件在高原湖泊測量1∶50 000比例尺測圖中尤為重要，點距達(dá)400 m時仍可保證插補到斷面特征點。水深特征點插補見圖4。對錯誤水深值修正(見圖5)時，將定義點光標(biāo)放置錯誤水深點上，根據(jù)右側(cè)信號強度標(biāo)識，點擊鼠標(biāo)左鍵拉至信號強度入門處即可，十分快速高效。

圖4 水深特征點插補

圖5 錯誤水深值修正

(2)水深量校精度和效率較傳統(tǒng)紙質(zhì)回聲人工判讀水深有大幅提高。通過Hypack軟件進(jìn)行水深數(shù)據(jù)量取及校對工作，一是可以避免人工判讀可能產(chǎn)生的水深數(shù)據(jù)誤差，較大地提高了水深量取精度；二是通過人機交互方式判讀水深可使水深量校效率提高80%以上，尤其有利于高原嚴(yán)重缺氧條件下的湖泊水深測量。

3 無紙化測深技術(shù)關(guān)鍵工序控制

無紙化測深技術(shù)在高原湖泊測量中應(yīng)注意以下關(guān)鍵工序。

(1)測深儀換能器安裝時，應(yīng)盡量保持測船航行狀態(tài)下?lián)Q能器安裝軸線與水面垂直，以保證水深測量精度；

(2)測前應(yīng)根據(jù)湖區(qū)水深值變化情況合理設(shè)置測深儀量程，既要保證不漏測最大水深，又要有合理的電子回聲幅面；

(3)測量過程中應(yīng)根據(jù)水深變化調(diào)整測深儀輸出功率、增益等關(guān)鍵參數(shù)，以保證電子回聲記錄清晰且連續(xù)；

(4)采用專業(yè)軟件人機交互判讀水深時，應(yīng)按需要放大電子回聲幅面，并根據(jù)電子回聲記錄右側(cè)信號強度標(biāo)識，以確保量校水深準(zhǔn)確。

4 測量實例

2011年，無紙化測深技術(shù)首次在青海湖測量中運用。青海湖面積超過4 000 km2，水深測量數(shù)據(jù)量大。如果采用傳統(tǒng)紙質(zhì)回聲，水深人工量校工作量巨大，將嚴(yán)重影響測量工作進(jìn)展。采用無紙化測深技術(shù)后，通過需要專業(yè)軟件人機交互方式量校水深，通常需要1 d的水深數(shù)量校工作只要不到2 h即可完成，大大提高了工作效率，為按時完成青海湖測量工作提供了有效技術(shù)保障。

2011～2015年，無紙化測深技術(shù)相繼在青海湖、羊卓雍錯、扎日南木錯、塔若錯、當(dāng)惹雍錯和色林錯等多個西部重要高原湖泊中得到成功運用并取得了良好效果。特別是在2015年，該技術(shù)在當(dāng)惹雍錯的測深工作中發(fā)揮了重要作用。當(dāng)惹雍錯湖面積近900 km2，最大水深超過200 m。實測得到了可靠的湖區(qū)大水深測量數(shù)據(jù)，為湖泊容積量算提供了高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

無紙化測深技術(shù)是今后測深儀發(fā)展的主要方向之一，引進(jìn)和開發(fā)無紙化測深技術(shù)可有效保證水深測量精度和提高水深量校效率。在測量條件惡劣的西部高原湖泊測量中應(yīng)用無紙化測深技術(shù)，對保證湖泊容積量算的準(zhǔn)確性更具重要意義。該技術(shù)的開發(fā)與運用契合測繪工作信息化和無紙化的發(fā)展趨勢，對類似測量項目有著較為廣泛的借鑒價值，也為今后的西部高原湖泊測量工作提供了技術(shù)參考。