界河航道測量關(guān)鍵技術(shù)分析

李亞東，李 韜

（中交（天津）生態(tài)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300202）

引言

航道測量，是指對(duì)通航水域進(jìn)行的測繪工作。包括通航河道全部河床范圍內(nèi)的水下、水上地形與地物和兩岸范圍內(nèi)的地物標(biāo)志測量、水流觀測、航行障礙物及限航物的測量以及資料整理和航道圖繪制等工作[1-2]。航道測量需要分別進(jìn)行地形、水深和水文測量，地形測量常用 RTKGPS、無人機(jī)航空攝影測量等方法進(jìn)行；水深測量常用單波束的方式進(jìn)行；水文觀測常用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）、自給式水位計(jì)的方式進(jìn)行。本文以圖們江界河航道測量工程為例，分別就地形、水深、水文測量的數(shù)據(jù)獲取、處理方法的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，最終分別生成滿足技術(shù)要求高程地形圖和水深地形圖，為航道的模型設(shè)計(jì)與研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

圖們江位于吉林省東南邊境，是中、朝、俄三國國際河流，全長520 km，從發(fā)源地至防川“土”字牌505 km 為中朝界河，防川“土”字牌至入?？?5 km 為朝俄界河。本次航道測量區(qū)域?yàn)槿庸窐蛑练来ㄍ磷峙贫?6 km 航道測量。

2 航道測量關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地形測量

首先根據(jù)已有控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求取轉(zhuǎn)換參數(shù)，以轉(zhuǎn)換分區(qū)求取WGS 84 坐標(biāo)系至 2000 國家大地坐標(biāo)和1985 國家高程基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度直接影響到最終成果的精度，依照《水運(yùn)工程測量規(guī)范》，轉(zhuǎn)換結(jié)果平面、高程最大殘差均不大于±50 mm[3]。

地形測量常用全站儀、RTK-GPS、無人機(jī)航空攝影測量等方法進(jìn)行。但是本區(qū)域位于邊境地區(qū)，無RTK 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、軍事管制限制無人機(jī)活動(dòng)，綜合考慮最終采用架設(shè)基站的RTK 作業(yè)模式。外業(yè)測量采用RTK-GPS 和多平臺(tái)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)配合的方式進(jìn)行外業(yè)地形數(shù)據(jù)采集，兩岸地形和江心沙灘主要采用激光雷達(dá)測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，中方地形掃描不能覆蓋的地區(qū)利用RTK-GPS 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，見圖1。

圖1 地形外業(yè)測量

采用RTK 作業(yè)模式時(shí)，每次設(shè)站，首先在圖根控制點(diǎn)上架設(shè)基站，然后流動(dòng)站到附近已知點(diǎn)上進(jìn)行校核，并填寫 RTK-GPS 定位比對(duì)表和全站儀比對(duì)記錄表，其平面坐標(biāo)互差不大于 50 mm，高程互差不大于30 mm。

本次采用華測AS-900HL 多平臺(tái)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，見表1。該系統(tǒng)集成了各類高性能的傳感器，如高精度、長測程的激光掃描儀，高精度光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)，極簡的輕量化設(shè)計(jì)，適合飛行和車載船載平臺(tái)的操控。為確保激光GNSS 系統(tǒng)定位準(zhǔn)確要求GNSS 基站覆蓋半徑為10 km。河道要素采集，采用AS-900HL 移動(dòng)測量系統(tǒng)，掃描范圍在河道兩側(cè)及附屬地物，使用Copre 軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算，主要包含差分GPS 處理、軌跡文件解算、點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出和點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；使用MappingFactory 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集編輯工作，并按照數(shù)據(jù)要求進(jìn)行圖幅輸出。

表1 AS-900HL 多平臺(tái)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)主要參數(shù)

2.2 水深測量

水深測量采用RTK-GPS 與單波束測深儀配合進(jìn)行 RTK 三維水深測量的方式進(jìn)行，一般水深的河道采用測船作業(yè)[4]，在普通測船難以到達(dá)的淺水區(qū)，使用RTK-GPS 配合測深桿由人工直接測量河底高程。

為反映水深變化趨勢，單波束測量時(shí)主測線垂直于河道走向布設(shè)。主測線間距按《水運(yùn)工程測量規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。同一作業(yè)組不同時(shí)期的相鄰測深段布設(shè)不少于2 條重合測深線。按照垂直于主測線方向布設(shè)若干檢查線，檢查線長度不小于主測線長度的5 %。

采用RTK-GPS 進(jìn)行三維水深測量的定位，RTK-GPS 天線直接固定于測深儀換能器支撐桿上，在測量過程中，能夠?qū)崟r(shí)獲取GNSS 天線相位中心的準(zhǔn)確平面位置和高程。量取換能器至天線相位中心距離（天線高），即可實(shí)現(xiàn)與平面定位同步實(shí)時(shí)獲取換能器位置高程，同時(shí)獲得厘米級(jí)的平面、高程定位精度?？梢员苊鉁y量船舶動(dòng)吃水和潮位變化對(duì)測量結(jié)果的影響。

在控制點(diǎn)架設(shè)RTK-GPS 差分基準(zhǔn)站，測量船舶GNSS 流動(dòng)站通過無線電接收來自基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)。采用海鷹Y1600 測深儀和 Hypack 水道測量軟件進(jìn)行水深測量的導(dǎo)航與測深數(shù)據(jù)采集，見圖2。軟件的導(dǎo)航界面可實(shí)時(shí)顯示正在施測的測線、船舶偏離測線的距離，供測船駕駛員隨時(shí)修正航向，保證測船沿測線航行。信息顯示窗口能隨時(shí)顯示各種導(dǎo)航參數(shù)（X、Y 坐標(biāo)、船速度、船艏向、記錄狀態(tài)、文件名、時(shí)間、測線方向、緯度、經(jīng)度、偏移距、水深等）。測深過程中，技術(shù)人員時(shí)刻注意測深儀工作是否正常、測深儀數(shù)據(jù)采狀況是否良好、測深紙上的回波信號(hào)是否清晰、吃水線是否漂移等情況，保證測深儀在穩(wěn)定狀態(tài)下工作。

圖2 使用Hypack 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

外業(yè)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，見圖3。對(duì)所采集的定位數(shù)據(jù)、測深數(shù)據(jù)，結(jié)合外業(yè)觀測記錄檢查聲速、坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)等是否設(shè)置正確。其次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、聲速改正，對(duì)測深測量過程中受波浪等影響的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，對(duì)問題數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行修正保證最終獲取到真實(shí)的水下地形數(shù)據(jù)。最終輸出 XYZ 格式的水深數(shù)據(jù)或南方CASS 的dat 格式數(shù)據(jù)，供內(nèi)業(yè)成圖時(shí)使用。

圖3 Hypack 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

水深測量質(zhì)量分析，項(xiàng)目使用RTK-GPS 進(jìn)行三維水深測量的定位，RTK-GPS 天線直接固定在測深儀換能器支撐桿上，定位與測深中心重合，在固定解狀態(tài)下其動(dòng)態(tài)水平測量精度可以達(dá)到厘米級(jí)，因此水深測量精度主要受測深影響。本項(xiàng)目測區(qū)水深基本都小于20 m，水深測量深度誤差限差為±0.2 m。該段 1：2000 測深中誤差為±0.1m，水深測量成果滿足規(guī)范要求。

2.3 水文測量

1）水位觀測

本段航道共布置基本水尺15 把，其中水尺1與圈河水文站水尺位于同一位置。設(shè)置基本水尺的同時(shí)埋設(shè)工作水準(zhǔn)點(diǎn)，其高程從最近的水準(zhǔn)點(diǎn)引測而來[5]。自2020 年6 月至7 月對(duì)15 把基本水尺進(jìn)行同步水位觀測。水位觀測使用 KELLER DCX-22 型自容式自動(dòng)水位計(jì)，觀測間隔30 min，全天觀測。

2）表面流速觀測

表面流速、流向觀測采用GPS 浮標(biāo)法進(jìn)行，外業(yè)連續(xù)記錄原始數(shù)據(jù)后期采用PPK 技術(shù)解算數(shù)據(jù)。浮標(biāo)制作：以泡沫式救生圈為浮標(biāo)主體，安裝GNSS 接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集，觀測時(shí)風(fēng)力不超過三級(jí)，同一河段各測次所用浮標(biāo)規(guī)格相同，入水深度不大于水深的1/10。浮標(biāo)采用PPK-GPS 定位，定位點(diǎn)間距不超過圖上±30 mm，并記錄定位時(shí)間。

內(nèi)業(yè)采用EXCEL 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理生成scr 語句，基本以自動(dòng)計(jì)算為主，對(duì)于部分不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行少量人工調(diào)整。流速、流向成果整理時(shí)，編制計(jì)算書、繪制流速、流向圖，并列表注明施測日期、歷時(shí)、氣象等信息。

3）斷面流量觀測

斷面流量觀測共布設(shè)10 個(gè)斷面，斷面流量觀測采用美國RDI 公司的ADCP 多普勒流速儀，將儀器固定于船舷，儀器吃水設(shè)置為0.05 m，分層為0.5 m。每個(gè)斷面往返觀測，當(dāng)往返測量流量結(jié)果超限時(shí)，重新觀測，直到觀測結(jié)果符合規(guī)范要求為止，斷面流量觀測資料以報(bào)表形式提供。

4）比降測量

水位比降觀測采用RTK-GPS 測量方法在枯水期淺灘位置進(jìn)行，使用RTK 測量比降點(diǎn)的平面位置和水位。比降觀測位置、數(shù)量、間距和觀測時(shí)間等均滿足實(shí)際需要，同一測區(qū)的比降同步觀測。

計(jì)算水面比降時(shí)，按照以下公式進(jìn)行：

式中：

Is——為縱比降（%），

Gu、Gd——為上下游水尺的水位（m），

L——上下游相鄰水尺間按流程計(jì)算的距離（m），數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，編制比降成果表。

2.4 成圖編繪

地形圖編繪主要是對(duì)所獲取的地形、水深、水文多種數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，按照相應(yīng)的地物屬性統(tǒng)一表達(dá)在一張地形圖上，主要包括地物特征點(diǎn)的勾繪，等高線、等深線的繪制，水文數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)，最終按照規(guī)范自下游至上游生成單幅的地形圖。

對(duì)于高程圖按照所獲取的數(shù)據(jù)直接編繪。水深圖的數(shù)據(jù)處理需要先收集資料確定基本水文站的最低通航設(shè)計(jì)水位，基本水尺繪圖水位通過與鄰近基本水位站同步觀測的水位數(shù)據(jù)采用水位相關(guān)法計(jì)算求得。基本流程見圖4 所示。

圖4 繪圖水位基準(zhǔn)面推求總體工作思路

各細(xì)部點(diǎn)繪圖水位數(shù)值按照上下游基本水尺瞬時(shí)水位、設(shè)計(jì)水位，采用落差內(nèi)插法通過下式計(jì)算：

式中：

Z——細(xì)部點(diǎn)的設(shè)計(jì)水面線；

ZX——細(xì)部點(diǎn)的瞬時(shí)水位；

Z上、Z下——上下游基本水尺的瞬時(shí)水位；

△Z上、△Z下——上下游基本水尺的瞬時(shí)水位與航行基準(zhǔn)面的差。

最終由計(jì)算得到的繪圖水位基面數(shù)據(jù)和外業(yè)所測的高程格式的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)我院編制的RiverLever 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件把高程數(shù)據(jù)歸算到繪圖水位面上生成水深數(shù)據(jù)文件，見圖5。展點(diǎn)到南方Cass 中，勾繪等深線、等高線等，生成水深格式的地形圖。

圖5 高程數(shù)據(jù)歸算到繪圖基準(zhǔn)面上

3 結(jié)語

航道測量是一項(xiàng)多專業(yè)綜合性強(qiáng)的項(xiàng)目工作，通常包括地形測量、水深測量、水文測量、通航設(shè)計(jì)水位計(jì)算以及高程地形圖和水深地形圖繪制等工作，界河航道測量因其特殊的條件需要根據(jù)實(shí)際情況選用合適的測量方法。

地形測量常用的有全站儀、RTK、無人機(jī)航空攝影測量等方法，但在界河邊境地區(qū)結(jié)合實(shí)際情況采用架設(shè)基站、流動(dòng)站的RTK 作業(yè)模式，配合激光雷達(dá)測量系統(tǒng)采集困難地區(qū)的數(shù)據(jù)工作，結(jié)果表明，數(shù)據(jù)可靠，作業(yè)效率高。

水深測量采用RTK 三維水深測量的作業(yè)方法，利用RTK 采集高精度的固定解坐標(biāo)，獲取厘米級(jí)的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送至測深儀，可以有效消除動(dòng)吃水和潮位變化對(duì)水深測量結(jié)果的影響，在內(nèi)河航道測量時(shí)值得推廣。

水文測量選用合適的作業(yè)方法分別對(duì)水位數(shù)據(jù)、表面流速數(shù)據(jù)、比降數(shù)據(jù)、斷面流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，本文選用的方法具有普適性，在其他類似項(xiàng)目中值得參考。

數(shù)據(jù)處理是航道測量的一項(xiàng)重要工作，外業(yè)采集的數(shù)據(jù)通常為1985 高程基準(zhǔn)下數(shù)據(jù)，如何轉(zhuǎn)化為水深數(shù)據(jù)值得研究，通常需要先確定最低通航設(shè)計(jì)水位，推求最低通航設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面，把85 高程下的高程數(shù)據(jù)歸算到基準(zhǔn)面上的水深數(shù)據(jù)，借助自主開發(fā)的軟件可以快速實(shí)現(xiàn)高程數(shù)據(jù)向設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面下的水深數(shù)據(jù)歸算。