數(shù)字化測繪技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用研究

萬飛

摘 要：近年來，數(shù)字化測繪技術(shù)廣泛應(yīng)用于水下地形測量工作中，尤其是無人測量船結(jié)合CORS網(wǎng)的應(yīng)用克服了傳統(tǒng)水下地形數(shù)字測繪技術(shù)的缺點(diǎn)。本文以引江濟(jì)淮工程菜子湖段水下地形測繪工程為例，針對(duì)航道水深測量環(huán)境效應(yīng)的特點(diǎn)，提出了一些提高測量精度的方案和建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化測繪;CORS網(wǎng);水下地形;無人船

隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展，水下測量技術(shù)也發(fā)生了根本性變化。在水下地形測量過程中，每個(gè)水域的實(shí)際情況都各有不同，例如在溝壑、池塘分布較密集區(qū)域的水下地形測量，如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)測量方法會(huì)導(dǎo)致精度、效率達(dá)不到理想的要求，這就需要我們測繪人員結(jié)合水域的實(shí)際情況選取適合的測量方法，以提高施測精度和效率。近幾年，基于CORS網(wǎng)的GNSS RTK技術(shù)迅速的發(fā)展及無人船的普及，促進(jìn)了水下地形數(shù)字化測繪技術(shù)的革新。

1 數(shù)字化水下地形測量技術(shù)介紹

1.1 數(shù)字化水下地形測量的概念

數(shù)字化水下地形測量技術(shù)是憑借先進(jìn)的科學(xué)測繪方法和技術(shù)，集計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、數(shù)字化測探技術(shù)以及GNSS定位系統(tǒng)于一體，對(duì)水下地形進(jìn)行測量和繪制的一種新技術(shù)。其具有高自動(dòng)化、高精度化、高效率化、以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。因此，被我國廣泛應(yīng)用于水路航線的開發(fā)與規(guī)劃、水下資源的開采與勘探以及水路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展等。

1.2 數(shù)字化水下地形測量技術(shù)的工作原理

數(shù)字化水下地形測量技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過程中，以水域測量為基礎(chǔ)，對(duì)水底控制點(diǎn)進(jìn)行測繪，同時(shí)采用差分GNSS技術(shù)，并聯(lián)合各種測量水深儀器對(duì)水下地形進(jìn)行測量和定位，然后通過繪圖自動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)以及電子記錄手薄進(jìn)行系統(tǒng)性整理和測繪，從而形成一個(gè)具有繪圖功能和自動(dòng)測量水下地形地貌的數(shù)字化測量系統(tǒng)[2]。

換能器發(fā)射超聲波，根據(jù)超聲波在不同水溫對(duì)應(yīng)的傳遞速度v，超聲波發(fā)射到A點(diǎn)再返回?fù)Q能器所用時(shí)間t，則s=vt/2，那么A點(diǎn)水深H=a+vt/2，由GNSS天線位置高程h0，可以換算出A點(diǎn)高程z=h0-h-H。

1.3 數(shù)字化水下地形測量技術(shù)的拓展

傳統(tǒng)水深測量，利用單波速換能器和GPS綁定在漁船上進(jìn)行，近年來隨著內(nèi)河、湖泊的禁漁，船只越來越難找，有些測區(qū)即使能找到船，但存在水下地形復(fù)雜，池塘、淺灘較多，普通民用船只無法或者無法及時(shí)到達(dá)測區(qū)的情況。智能測量無人船解決了內(nèi)河、水庫、池塘水深難測的問題。它可以按照既定路線借助衛(wèi)星定位自動(dòng)行駛的船，遠(yuǎn)程即可進(jìn)行操控，可搭載多種測量傳感器替人完成各項(xiàng)任務(wù)。小巧的船體能貼岸作業(yè)，大幅提高監(jiān)測效率和準(zhǔn)確度，減少監(jiān)測人員水上作業(yè)的危險(xiǎn);重量輕，攜帶方便。

2 數(shù)字化水下地形測量技術(shù)的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目基本情況

引江濟(jì)淮工程由長江下游上段引水，向淮河中游地區(qū)補(bǔ)水，是一項(xiàng)以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運(yùn)為主，結(jié)合灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等綜合利用的大型跨流域調(diào)水工程，是集供水、航運(yùn)、生態(tài)等效益的一項(xiàng)水資源綜合利用工程。本次安徽省引江濟(jì)淮工程菜子湖湖區(qū)航道整治工程施工圖測量全長27.1km，是為滿足該項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)及預(yù)算編制需要，于2019年12月20日完成了對(duì)該航道規(guī)劃中線兩側(cè)各400m范圍內(nèi)的水域進(jìn)行水下地形測量。根據(jù)規(guī)范要求測圖比例尺為1：1000，水下地形點(diǎn)點(diǎn)位中誤差±0.3m，采用2000中國坐標(biāo)系，高程中誤差±0.05m，1985國家高程基準(zhǔn)，由于測區(qū)起點(diǎn)、終點(diǎn)附近魚塘，溝壑，淺水區(qū)較密集，宜采用智能測量無人船施測。測區(qū)中段為湖區(qū)，障礙物較少宜采用民用船只+南方SDE-280測深儀施測。由于該項(xiàng)目是施工圖測量，水下地形成果精度要求高，沿航道中線每30米間距布設(shè)一條垂直于航道方向的橫斷面，全線布設(shè)900多條斷面，沿設(shè)計(jì)斷面采集水下地形數(shù)據(jù)，按水運(yùn)工程測量規(guī)范要求，采集間距為2米。

2.2 基于CORS的GNSS-RTK技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)水下地形測量，平面定點(diǎn)位需要在測區(qū)附近岸上先架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站，再配置GNSS流動(dòng)站，基本都是結(jié)合潮位改正模型來獲得測船處水位，然后再減掉水深探測儀獲得的水深，從而得到水底高程。但這種測量方法存在缺點(diǎn)，測得的水底高程精度容易受水位變化影響，需要定期的測量水位，這樣即增加了工作量，又增加了測量出來的水深存在瞬時(shí)誤差概率，并且這個(gè)瞬時(shí)誤差在最終的數(shù)據(jù)中也無法得到消除。解決上述問題的有效方法是實(shí)施無驗(yàn)潮水深測量（也就是基于CORS網(wǎng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)實(shí)點(diǎn)潮位測量+水深測量）。它具有高效、快速、自動(dòng)化、精準(zhǔn)以及全天候使用等特點(diǎn)。CORS系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動(dòng)地提供GNSS觀測值（載波相位，偽距），各種改正數(shù)、狀態(tài)信息，以及靈活多樣的定位服務(wù)，且很好的解決了長距離、大規(guī)模的從米級(jí)到毫米級(jí)別精度需求的GNSS定位問題。

在引江濟(jì)淮工程菜子湖湖區(qū)航道整治工程施工圖測量過程中，主要運(yùn)用CORS技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)自己架設(shè)基準(zhǔn)站的工作模式，使水位觀測與導(dǎo)航定位得到有效結(jié)合，消除測深時(shí)水位變化對(duì)測量精度的影響，縮短本項(xiàng)目外業(yè)測量工作周期，節(jié)省了人力物力。

2.3 測深技術(shù)及數(shù)據(jù)處理

在現(xiàn)階段的水下地形測繪工作，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化系統(tǒng)的操作，全過程都可以通過自動(dòng)化技術(shù)來完成。引江濟(jì)淮工程菜子湖測區(qū)地勢(shì)平坦，90%的測區(qū)在0.4-4米之間，水深較淺區(qū)域宜用單頻測深儀來進(jìn)行水深測量，這種測深儀由兩部分組成，分別為換能器和水深數(shù)字化輸出接口裝置。在進(jìn)行水下地形測量工作時(shí)，設(shè)備安裝好后，首先，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)測深儀導(dǎo)航軟件，對(duì)記錄定位參數(shù)和水深參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;將DGPS、測深儀輸出接口以及定位輸出接口連接在計(jì)算機(jī)通訊上;再將測量船引導(dǎo)到需要測量的位置，然后根據(jù)技術(shù)要求對(duì)需要測量的水域進(jìn)行測深和定位，同時(shí)結(jié)合軟件的偏航數(shù)據(jù)，對(duì)測船的方向進(jìn)行修正，保證測船能沿著斷面方向進(jìn)行航行，從而實(shí)現(xiàn)測深數(shù)據(jù)的同步化采集。

數(shù)字化水下地形測量外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，然后通過計(jì)算機(jī)程序?qū)@得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理加工，可以快速的繪制出圖形，簡便了工作程序，減少了操作過程中人為操作的失誤，有效的提高了工作效率。

3 結(jié)語

CORS網(wǎng)及無人船在數(shù)字化測繪技術(shù)中的應(yīng)用，在精密定位和水深測量方面更加精準(zhǔn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測深技術(shù)的缺點(diǎn)，使水下地形測量變得更加智能化、高效化以及科學(xué)化，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒲煥堯.淺析水下地形測量中數(shù)字化測繪技術(shù)應(yīng)用[J].建材與裝飾，2019（17）：121-122.

[2]李穎.數(shù)字化成圖在水下地形測量中的應(yīng)用[J].科技資訊，2017（24）：222-223.