河道測量新技術及應用

陳尚林

(安徽省長江河道管理局，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著河道管理要求的提高，必須定期對河道水下地形、水文泥沙等進行測量，同時對河道測量成果的提供速度、質量和技術要求也越來越高。隨著測量新技術的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代河道測量工作已逐步形成了內外業(yè)一體化、天地一體化的數(shù)據(jù)采集與處理的作業(yè)模式。在河道測量中采用測量新技術，將有助于提高河道測量工作的質量與效率，落實河道管理單位的主體責任。

1 傳統(tǒng)的河道測繪技術

河道測量的主要內容包括固定斷面測量、水下地形測量、陸上灘地測量、水文測驗等。20世紀90年代以前，河道水下地形測量平面定位技術傳統(tǒng)的方法是光學定位、無線電定位法，光學定位主要采用經(jīng)緯儀前方交會法，水深采用電子管回聲測深儀進行測量。陸上灘地部分主要采用經(jīng)緯儀配合標尺、標桿進行測繪，水文測驗采用電子流速儀、浮標進行測驗。測量作業(yè)時，人員多、效率低、精度差。20世紀90年代中期，隨著測距儀的普及，測量作業(yè)效率有了較大的提高。20世紀90年代后期，隨著GPS技術成熟和應用，測量技術才有了質的提高。

河道測量傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理主要采用外業(yè)記錄簿和平板繪圖法。隨著計算機的使用，電腦輔助繪圖(CAD)取代了手工計算和繪圖，改變了傳統(tǒng)手工繪圖復雜落后的生產(chǎn)工藝。也改變了繪制周期長、勞動強度高、生成的地圖信息小、存儲不方便等缺點。

21世紀以來，測繪技術高速發(fā)展，獲得了質的飛躍，大量的先進測繪技術如雨后春筍。全站儀、RTK、聲學多普勒流速儀(ADCP)、多波束測深系統(tǒng)、激光三維掃描儀、無人機等先進設備和技術在河道測量上得到了廣泛應用，河道測量不斷迎來全新的工作方式。測量手段從傳統(tǒng)手工測量、數(shù)字化測量逐漸向信息化測繪發(fā)展。

2 測量新技術及其應用

2.1 河道測量新技術

現(xiàn)代科技手段的不斷創(chuàng)新，水下探測的多波束技術、水陸一體化的三維激光掃描加多波束測量技術、無人機傾斜攝影技術、無人船海洋測繪技術、多普勒流速儀進行的流速測量等新的河道測量技術在河道測量中得以實踐、發(fā)展和應用，見圖1。

圖1 河道測量新技術結構圖

2.1.1 水下探測：多波束測深系統(tǒng)

多波束測量一般由窄波束回聲測深設備和回聲處理設備兩部分組成。主要用于水下(海洋)地形測量。安裝在測量船上的多波束測深系統(tǒng)，可以在每次發(fā)出聲脈沖時獲得船下的垂直深度，同時在垂直于船跡的平面上獲得幾十個水深值，從而實時繪制水下地形圖。最大工作深度為200～1 200 m，水平覆蓋寬度為水深的3倍以上。多波束測深系統(tǒng)與單波束回聲測深儀相比，具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優(yōu)點,它把測深技術從點、線擴展到面，得到高精度的三維水下地形圖，特別適合水下工程、橋墩碼頭港口區(qū)域水下地形探測。

2.1.2 水陸一體化綜合測量:三維激光掃描測量+多波束測量

河道水陸測量一體化一直是測繪的難點。水陸一體化測量技術通過多進程網(wǎng)絡技術，將三維激光測距、多波束測量、定位等技術融為一體，彌補了傳統(tǒng)測量方法效率低、成本高、獲得高密度的水陸三維空間地理信息困難等缺點，作為一種新興的水域空間探測技術具有明顯的優(yōu)勢。高精度船載水陸一體化綜合測量技術，可為水利工程三維地形數(shù)據(jù)提供移動、靈活、快速的采集、處理和分析，建立數(shù)字水利高精度三維空間數(shù)據(jù)庫，進一步利用不同時期現(xiàn)場采集的水利數(shù)據(jù)對工程三維空間數(shù)據(jù)進行時空智能化分析，分析水利工程地形和各種河岸設施的時空變化，并在此基礎上建立一體化的三維可視化數(shù)字水利平臺，為水利工程、災害監(jiān)測提供高精度、高實時的地理空間信息數(shù)據(jù)支持。

2.1.3 傾斜攝影測量：無人機

無人機可以在云層下進行航空攝影，實現(xiàn)與地形、地物相適應的導航和相機控制，從而獲得多角度、多建筑物的地表場景圖像，支持三維景觀模型的構建。無人機起降靈活，適應性強，也可以快速獲得視頻或正射影像圖。將無人機與GPS-RTK相結合，可以獲取高精度的相片位置，可大大減少相控布設的工作量，提高無人機作業(yè)效率，采多鏡頭拍攝的傾斜圖像可以通過建模軟件建立三維實景空間，可以從實景空間中通過算法提取地面高程、基礎地形圖、水利工程和設施等，再結合水下測量數(shù)據(jù)可以構建河流DEM模型，實現(xiàn)河道斷面圖的自動繪制。同時還可以通過無人機搭載多光譜或紅外相機，進行水質和河道隱蔽排污口的調查；通過搭載LiDAR，可以提取高精度的地面特征。此外，無人機在河道巡查、河道灘地水資源調查、采砂管理等方面，都能發(fā)揮很好的作用。

2.1.4 無人船測量

無人船是現(xiàn)代海洋技術發(fā)展的產(chǎn)物，作為一種新型的技術手段，已廣泛應用于水域測量。無人船作為水面機動載體，其關鍵技術包括三個方面：專用平臺設計技術、運動控制技術和通信技術。無人船具有自動化程度高、輕便、靈活、適應性強等特點，適合于河流、湖泊、水庫等區(qū)域的測量，采用無人船作業(yè)可以提高經(jīng)濟效益、安全效益和環(huán)境效益。在河道工程、碼頭、港口測量中，特別是在測量船只無法正常到達的水域，能夠起到很好的補充作用。

2.1.5 流速測量：多普勒流速儀(ADCP)

船用多功能聲學多普勒流速剖面儀(簡稱多功能ADCP或MADCP)主要功能是測量三維流場剖面，同時還兼有測量懸浮泥沙濃度的功能，主要應用領域是海洋監(jiān)測、環(huán)境保護、海洋開發(fā)和河道建設等方面。ADCP是當今最主要的測流手段。多功能ADCP采用聲學多普勒原理，用聲波遙測水流的速度，對流場不產(chǎn)生干擾，而且能夠在航行過程中測量流速剖面，可快速地獲得一個水域的流場斷面。與常規(guī)的單點式海流計相比，具有測量精度高、快速、高效、省時省力等優(yōu)點。多功能ADCP采用了寬帶和窄帶兩種測流技術，能適應各種復雜的流場，在測量流速剖面的同時還可測量懸浮物濃度剖面，是研究泥沙遷移規(guī)律，計算輸沙量的十分有效的工具。在水流和泥沙觀測時常采用走航式。

2.1.6 水下機器人

水下機器人測量系統(tǒng)是集GNSS、測深儀、激光雷達等多種高精度傳感設備以及自動控制等軟件、硬件為一體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以各類水域為主要對象，以高精度地理信息快速獲取為目的，以機器人搭載多種高精度傳感設備，采用無線傳輸?shù)姆绞?，在岸基實時接收并分析處理系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)。以遙控和自控兩種方式對機器人系統(tǒng)進行操作和控制，該系統(tǒng)可自動導航并同時采集水深、平面位置、河道斷面等相關數(shù)據(jù)，能消除因風浪等因素對水底高程的影響?，F(xiàn)場對數(shù)據(jù)進行分析、處理，快速成圖，與傳統(tǒng)水下測量方法相比，該系統(tǒng)可規(guī)避作業(yè)人員水下測量作業(yè)安全隱患，提高水下測量效率，快速成圖，當前將水下機器人測量系統(tǒng)應用于水下測量已成為行業(yè)發(fā)展趨勢。

2.2 新技術在安徽河道測量中的應用

目前，多波束測深系統(tǒng)、多普勒流速儀(ADCP)和無人機在河道測量和河道日常管理上應用較為廣泛。下面以多波束測深系統(tǒng)和無人機為例，測量新技術、新設備在河道測量和河道管理中發(fā)揮的重要作用。

2.2.1 多波束測深系統(tǒng)在河道監(jiān)測中的應用

2020年汛期，長江發(fā)生了流域性特大洪水。長江安徽省段有9處二級崩岸預警區(qū)，分布在沿江安慶、池州、蕪湖和馬鞍山四個地市。為了確保防洪安全，保證人民群眾生命財產(chǎn)安全，省長江河道管理局對9處崩岸二級預警區(qū)開展了河道動態(tài)監(jiān)測。采用常規(guī)測量方法，船只需按規(guī)劃航線垂直水流方向進行測量，才能滿足測圖要求。由于汛期水位高，江面流速大，船只無法按規(guī)劃航線行駛，安全風險較大，同時難以滿足測圖質量和時間要求。經(jīng)方案對比分析后，決定采用多波束測深系統(tǒng)進行測量。7月7日至10日，歷時4 d，完成了六凸子、躍進圩等9處二級崩岸預警區(qū)1∶2 000水下地形掃測，總計長度23.40 km，面積約7 km2。能夠安全、快速、高效地完成任務，得益于新技術、新設備的應用，為防汛決策提供了第一手基礎數(shù)據(jù)，確保了二級崩岸預警區(qū)安全度汛。

12月完成了安慶大橋通航安全鑒定水下橋墩及地形掃測工作，成果直觀，三維模型真實反映出水下地物、地貌情況。

圖2 六凸子三維水下地形圖

2.1.2 無人機技術在河道管理中的應用

圖3 安慶大橋橋墩圖

全面落實長江大保護，加強河道日常管理，是確保長江綠色、健康發(fā)展的重要抓手。隨著科技的進步，河道管理走上了信息化管理時代，傳統(tǒng)的管理模式和手段已難以滿足河道管理事業(yè)發(fā)展的需要。如何快速、高效地完成河道日常巡查任務，如何第一時間獲得違法、違建的證據(jù)，簡單、直觀地展現(xiàn)現(xiàn)場真實情況，無人機就能很好地解決這一問題。無人機航拍可以制作視頻、正射影像圖、三維場景圖、地形圖等，多層次地真實反映現(xiàn)場情況。近年來，安徽省長江河道管理局將無人機全面應用到長江河道和工程日常巡查、工程驗收、采砂管理、違章違規(guī)取證等方面，大大地提高了工作效率，為下一步建立長江安徽省段地理信息系統(tǒng)積累了大量的數(shù)據(jù)，為全面實現(xiàn)長江河道信息化管理打下了基礎。

3 結語

隨著測量新技術、新設備的不斷發(fā)展，將使河道測量的成果在時間和空間尺度上更加精細化、實時化，推動河道管理事業(yè)進一步發(fā)展。