基于GNSS的單波束測(cè)深系統(tǒng)在大中型水庫(kù)水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

商建偉

(山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

長(zhǎng)期以來，受制于傳統(tǒng)觀念及測(cè)深技術(shù)的制約，水下地形測(cè)量較之陸域測(cè)量，存在較大的差距。陸域測(cè)量已形成完整規(guī)范的更新體系和更新周期，測(cè)量手段成熟多樣，數(shù)據(jù)成果較為完善，而水下測(cè)量仍處于填補(bǔ)空白階段。隨著水庫(kù)在調(diào)蓄洪水、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等方面發(fā)揮的作用日益明顯，為更好地開發(fā)利用豐富的內(nèi)陸水庫(kù)水下地理信息資源，對(duì)水庫(kù)水下地形進(jìn)行測(cè)量，顯得非常必要。目前常用的水下測(cè)量技術(shù)有單波束測(cè)量和多波束測(cè)量，都屬于回聲探測(cè)技術(shù)。單波束測(cè)量最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代，通過向水下發(fā)射聲波，獲取一系列連續(xù)的水下點(diǎn)，這種技術(shù)極大地提高了作業(yè)效率，早期受定位技術(shù)的制約，發(fā)展較為緩慢。在20世紀(jì)70年代，人們發(fā)明了多波束測(cè)量技術(shù)，該方法可以一次性獲取垂直于航線的水深條帶，相比單波束測(cè)量，其特點(diǎn)是效率更高，精度更高，可以繪制更加精細(xì)的水下地貌[1]。單波束測(cè)量系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)均較為成熟，國(guó)內(nèi)的海鷹測(cè)深系統(tǒng)、中海達(dá)測(cè)深系統(tǒng)、南方測(cè)深系統(tǒng)均已在諸多測(cè)深項(xiàng)目中成功使用，多波束測(cè)深系統(tǒng)由于技術(shù)更為復(fù)雜，在我國(guó)開展相關(guān)研究起步較晚，仍處于追趕國(guó)外的階段。隨著GNSS的快速發(fā)展，其差分定位精度已達(dá)到厘米級(jí)[2-3]，且具有了全天候、實(shí)時(shí)獲取的特點(diǎn)，GNSS發(fā)展促進(jìn)了回聲測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前單波束測(cè)量與多波束測(cè)量已與GNSS高度融合，且隨著人工智能技術(shù)、通訊技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)的飛速發(fā)展，無人測(cè)量船也已在水下測(cè)量領(lǐng)域大量應(yīng)用，為不同水域測(cè)深提供了更為多樣的選擇[4]。

1 研究區(qū)概況

東平湖水庫(kù)位于山東省東平縣，總面積約627km2，常年水面約124.3km2，平均水深約2.5m，蓄水總量約40億m3，具有重要的防洪、排灌、養(yǎng)殖、旅游開發(fā)價(jià)值，是黃河中下游最大的湖泊、京杭大運(yùn)河復(fù)航和國(guó)家南水北調(diào)東線的重要樞紐，也是山東省西水東送的重要水源地。東平湖水庫(kù)多年平均水溫約14.0℃，水溫平均最高值在7月，約27.2℃，最低值在1月，約1.3℃。大汶河是其主要的注入河流，經(jīng)調(diào)蓄后經(jīng)東平湖水庫(kù)流入黃河。在大汶河入東平湖水庫(kù)庫(kù)口及庫(kù)區(qū)東側(cè)、北側(cè)有水草區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)和施工區(qū)，測(cè)量船不能駛?cè)?，水?kù)內(nèi)大汶河河道較窄，存在蘆葦區(qū)和漁網(wǎng)，測(cè)量船不能駛?cè)?，其他區(qū)域均適合布設(shè)測(cè)線進(jìn)行測(cè)量。本文結(jié)合山東省大型水庫(kù)1∶2000水下地形測(cè)量項(xiàng)目，選取東平湖水庫(kù)，從單波束測(cè)深技術(shù)方法、實(shí)際案例等方面開展分析研究。

2 研究方法

2.1 技術(shù)方法研究

水下地形測(cè)量指利用測(cè)繪手段，獲取水下點(diǎn)定位、水深及高程信息，進(jìn)一步繪制地形圖或數(shù)字高程模型的工作。傳統(tǒng)水庫(kù)測(cè)深方法有采用測(cè)深桿或測(cè)深錘測(cè)深[5]，這種方法適用于較淺的小區(qū)域測(cè)深，作業(yè)效率低下。測(cè)深儀搭載GNSS進(jìn)行測(cè)量的方法是通過GNSS接收機(jī)實(shí)時(shí)獲取定位及高程信息[6]，測(cè)深儀換能器向水底發(fā)出頻率為1500Hz的超聲波，通過傳播速度及往返時(shí)間計(jì)算水深[7]。SDCORS已實(shí)現(xiàn)全省覆蓋，網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度優(yōu)于5cm，滿足項(xiàng)目定位要求。山東省在2016年完成全省似大地水準(zhǔn)面精化工作，似大地水準(zhǔn)面模型覆蓋全省陸域，并外擴(kuò)20km，模型分辨率2.5′×2.5′，全省總體精度優(yōu)于±4cm，滿足本項(xiàng)目高程起算需求。測(cè)深儀搭載GNSS的測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定位與測(cè)深一體化，作業(yè)效率大幅提升，在大中型水庫(kù)水下測(cè)量中具有較大優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用。采用這種方法，水底高程可以通過公式(1)獲取，水深可以通過公式(2)獲取。其中H為水底高程，HS為水深，HG為GNSS接收機(jī)高程值，H1為GNSS接收機(jī)至水面的距離，H2為測(cè)深儀換能器至水面的距離，H3為測(cè)深儀換能器至水底的距離(圖1)[8-10]。

圖1 基于GNSS的單波束測(cè)深原理圖

H=HG-H1-H2-H3

(1)

HS=H2+H3

(2)

基于GNSS的單波束測(cè)深系統(tǒng)在作業(yè)時(shí)還受以下因素的影響：

(1)基于SDCORS的定位模式的影響?；贕NSS的單波束水下地形測(cè)量需依靠GNSS提供精確的平面和垂直坐標(biāo)，因此在導(dǎo)航定位時(shí)，應(yīng)確保GNSS-RTK獲取數(shù)據(jù)的狀態(tài)是“固定解”。

(2)GNSS數(shù)據(jù)時(shí)延造成的影響[11]。由于GNSS信號(hào)被接收機(jī)接收存在一定的時(shí)延，造成瞬時(shí)獲取的三維坐標(biāo)信息滯后于測(cè)深數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)延時(shí)進(jìn)行精確測(cè)定并進(jìn)行改正，實(shí)現(xiàn)定位與測(cè)深同步。

(3)受船體姿態(tài)的影響。受風(fēng)浪等因素影響，船載測(cè)深儀并非垂直發(fā)射聲波，實(shí)際測(cè)得的水深是換能器到水底的傾斜距離。若要獲得更為精確的位置，還需采集船體動(dòng)態(tài)的姿態(tài)參數(shù)，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償修正，消除船體姿態(tài)對(duì)測(cè)深結(jié)果的影響。

2.2 作業(yè)流程研究

依據(jù)收集的岸線資料及概略水下地形資料布設(shè)測(cè)線，利用聲速剖面儀、水文資料等確定聲速，按規(guī)范安裝經(jīng)檢校合格的定位及測(cè)深儀器，利用SDCORS獲取精確的三維坐標(biāo)，結(jié)合最新似大地水準(zhǔn)面精化模型獲取正常高，采用單波束測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)深，經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量檢驗(yàn)后，形成水下地形測(cè)量成果(圖2)。

圖2 水下地形測(cè)量流程圖

2.3 定位及測(cè)深儀器性能研究

定位及測(cè)深儀器的穩(wěn)定性及獲取數(shù)據(jù)的精確性對(duì)測(cè)量結(jié)果有著重要影響，應(yīng)對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行平面及高程精度檢核，對(duì)測(cè)深儀穩(wěn)定性及一致性進(jìn)行精度檢核。結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)及技術(shù)要求，投入的設(shè)備見表1。

表1 項(xiàng)目投入的主要硬件清單

在本項(xiàng)目中，主要采用以下方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢核：基于SDCORS[12]，對(duì)GNSS RTK進(jìn)行準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性測(cè)試，在測(cè)區(qū)周邊已知控制點(diǎn)上，連續(xù)采集4小時(shí)以上，采集數(shù)據(jù)真值的差值平面中誤差小于3cm，高程中誤差小于5cm，設(shè)備定位精度可靠，滿足規(guī)范要求。在一水底平整、水深相等的位置，利用多臺(tái)測(cè)深儀測(cè)深，統(tǒng)計(jì)測(cè)量差值，檢查測(cè)深儀停泊一致性。利用測(cè)深儀，固定時(shí)間間隔連續(xù)采集水深數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)水深值的離散情況，檢查測(cè)深儀穩(wěn)定性。測(cè)深儀一致性測(cè)試差值1.4cm，穩(wěn)定性測(cè)試采集了80個(gè)深度數(shù)據(jù)，中誤差1.5cm，滿足規(guī)范要求。為減少測(cè)深過程中船速對(duì)吃水影響，將測(cè)深儀換能器安裝在船舶中舷處；為減少定位與測(cè)深偏心的影響，將GNSS接收機(jī)定位中心與測(cè)深儀換能器安置在同一鉛垂線上，通過鋼管與船連為一體。

2.4 測(cè)線布設(shè)

單波束測(cè)深主要通過主測(cè)線與檢查線相結(jié)合的方式開展，精度評(píng)定主要通過主測(cè)線與檢查線相交處的高程值符合性來判定，因此測(cè)線布設(shè)極其重要。主測(cè)線布設(shè)基本垂直于等深線的總體方向，盡量布設(shè)為平行測(cè)線，主測(cè)深線間隔為圖上1cm。檢查線的方向應(yīng)盡量與主測(cè)線垂直，分布均勻，能普遍檢查主測(cè)深線。單波束檢查線總長(zhǎng)度不小于主測(cè)線總長(zhǎng)度的5%[13]。結(jié)合東平湖水庫(kù)岸線和水下地形特點(diǎn)，布設(shè)測(cè)線總長(zhǎng)度約為8737.28km，其中主測(cè)線長(zhǎng)度約為7945.34km，檢查線長(zhǎng)度約為791.94km。測(cè)線布設(shè)的示意圖見圖3。

圖3 主測(cè)/檢查線布設(shè)示意圖

2.5 聲速改正

水溫、鹽度、深度都對(duì)聲速產(chǎn)生影響，聲速直接影響水深的精度，聲速改正非常必要。測(cè)深開始前，利用聲速剖面儀器測(cè)定聲速，采樣分層間距設(shè)置為1m，取平均聲速作為初始聲速，用于聲速改正。本研究測(cè)得東平湖水庫(kù)平均聲速1498m/s。

2.6 水深測(cè)量

測(cè)量船工作時(shí)吃水對(duì)水深數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的誤差，作業(yè)前應(yīng)對(duì)測(cè)量船進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)吃水改正。利用鋼尺直接量取換能器探頭至水面的距離，獲取靜態(tài)吃水值；在水底平坦、堅(jiān)硬區(qū)域，利用測(cè)深儀分別以靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的方式測(cè)定水深，求取兩者的差值，獲取測(cè)量船在換能器位置的下沉值，該值加上靜態(tài)吃水，得到測(cè)量船在某一航速下的動(dòng)態(tài)吃水值。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，測(cè)量船在3節(jié)、6節(jié)航速時(shí)，吃水改正值平均為1cm和3cm。在本研究中，按照規(guī)劃的測(cè)線，基于SDCORS，采用GNSS RTK方式進(jìn)行測(cè)深導(dǎo)航。測(cè)深時(shí)，測(cè)深采樣頻率設(shè)置為1Hz，船速保持在6節(jié)以下，按等距方式實(shí)時(shí)采集定位及深度數(shù)據(jù)。

2.7 數(shù)據(jù)處理

對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理主要指經(jīng)編輯、粗差剔出、水深數(shù)據(jù)選取后，形成正式測(cè)深成果。對(duì)平面定位偏差較大的，結(jié)合航線及測(cè)量時(shí)刻，對(duì)其進(jìn)行剔除或修正；結(jié)合測(cè)深儀電子模擬圖像，逐測(cè)線對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，對(duì)水深粗差點(diǎn)進(jìn)行剔除或修正，對(duì)波浪部分作平滑處理，選取水深數(shù)據(jù)時(shí)，一般設(shè)置20m間隔提取，同時(shí)兼顧復(fù)雜地貌水深特征點(diǎn)的選取，將GNSS接收機(jī)獲取的高程數(shù)據(jù)及測(cè)深儀獲取的深度數(shù)據(jù)繼續(xù)融合，得到水下高程數(shù)據(jù)[14]，利用似大地水準(zhǔn)面模型求取高程異常，將測(cè)深高程由大地高轉(zhuǎn)換為正常高。本研究采用HYPACK和Haida軟件進(jìn)行水深數(shù)據(jù)編輯選取。

2.8 研究成果

利用水下高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成數(shù)字高程模型。本研究為1∶2000比例尺，格網(wǎng)間距為2m，數(shù)字高程模型成果見圖4。

圖4 數(shù)字高程模型成果

2.9 質(zhì)量檢查

水下地形測(cè)量質(zhì)量檢查主要包括對(duì)主測(cè)線、檢測(cè)線的布設(shè)情況進(jìn)行檢查以及對(duì)水下高程點(diǎn)高程值精度進(jìn)行檢查。東平湖水庫(kù)水下地形測(cè)量項(xiàng)目實(shí)測(cè)主測(cè)線7729.9km，實(shí)測(cè)檢查線465.1km，檢查線總長(zhǎng)占主測(cè)線總長(zhǎng)的6.0%，滿足規(guī)范要求。在平坦地區(qū)取實(shí)地0.5m以內(nèi)的2個(gè)水下高程點(diǎn)做比較，在深度變化劇烈或沒有重合點(diǎn)的地方，參考其變化規(guī)律，從原始數(shù)據(jù)中提取加密點(diǎn)，加以分析。東平湖水庫(kù)水深在20m以下，重合點(diǎn)不符值中誤差10m以內(nèi)為0.15m，10～20m為0.2m，大于2倍中誤差的差值不參與計(jì)算。對(duì)主測(cè)線與檢查線76582個(gè)重合水下高程點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算[15]，10m以內(nèi)中誤差為0.14m，10～20m中誤差為0.17m[16-17]。差值統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 主測(cè)線與檢查線重合水下高程點(diǎn)差值統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

本文結(jié)合東平湖水庫(kù)水下地形測(cè)量項(xiàng)目，研究了基于GNSS的單波束測(cè)深系統(tǒng)在大中型水庫(kù)水下地形測(cè)量中的應(yīng)用。東平湖水庫(kù)水文情況復(fù)雜，存在部分淺水區(qū)、水草地、養(yǎng)殖區(qū)及灘涂區(qū)，測(cè)量船不易進(jìn)入。淺水區(qū)盡量趁高水位采用吃水較小的測(cè)量船施測(cè)，難以抵達(dá)的區(qū)域，適當(dāng)調(diào)整測(cè)深線間距，增大測(cè)點(diǎn)間距離；測(cè)量船確實(shí)不易進(jìn)入的區(qū)域，采用人工涉水，測(cè)深桿配合定位設(shè)備的方式施測(cè)；對(duì)于測(cè)量人員無法登陸的復(fù)雜灘涂區(qū)域，采用航空攝影測(cè)量方法施測(cè)[18-19]。研究表明，該系統(tǒng)對(duì)載體要求不高，適用性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，能大幅提高作業(yè)效率。系統(tǒng)集定位與測(cè)深于一體，能快速獲取水下高程信息，成果精度高，是一種有效的大中型水庫(kù)水下地形測(cè)量解決方案。