水下地形測(cè)量技術(shù)方法應(yīng)用分析

張吉毫 孟 震/河南省啄木鳥地下管線檢測(cè)有限公司

水下地形測(cè)量技術(shù)方法應(yīng)用分析

張吉毫 孟 震/河南省啄木鳥地下管線檢測(cè)有限公司

隨著科技的進(jìn)步與時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)的水下地形測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。不管是城市的防洪還是河道的整治、港口的建設(shè)與海底的探礦都需要對(duì)水下的地形進(jìn)行合理的勘測(cè)并進(jìn)行準(zhǔn)確定位。由于水域具有面積范圍廣、儲(chǔ)量大、及區(qū)域連通強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，在對(duì)海洋、湖泊、河流進(jìn)行測(cè)量時(shí)所需克服的種種困難非常之多，同時(shí)，采用的測(cè)量方法不僅繁雜，而且所得到的測(cè)量數(shù)據(jù)精度要求越來(lái)越高，這就需要我們加大對(duì)地下地形測(cè)量技術(shù)方法的研究。文章通過(guò)對(duì)水下地形測(cè)量技術(shù)的闡述，分析了其技術(shù)的應(yīng)用，希望對(duì)我國(guó)水下地形測(cè)量的發(fā)展有所幫助。

水下地形測(cè)量；技術(shù)方法；應(yīng)用

一、水下地形測(cè)量概念

所謂水下地形測(cè)量，是在水下運(yùn)用一定的測(cè)量?jī)x器對(duì)地形進(jìn)行的測(cè)量，一般是通過(guò)確定三維坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。主要是水深測(cè)量，這是沿測(cè)深線方向，按一定間隔測(cè)取待測(cè)深度點(diǎn)（稱測(cè)深點(diǎn)）的深度，即測(cè)定水底點(diǎn)至水面的高度的測(cè)量工作，是水下地形測(cè)量的一個(gè)中心環(huán)節(jié)；在水深測(cè)量工作中，還要精確地測(cè)定深度點(diǎn)的平面位置，這項(xiàng)工作簡(jiǎn)稱為定位；水深測(cè)量需與陸地上平面位置與高程聯(lián)系起來(lái)才具有水下地形測(cè)繪等實(shí)用價(jià)值，測(cè)深與高程系統(tǒng)的聯(lián)系，一般通過(guò)水位觀測(cè)的措施。

二、水下地形測(cè)量技術(shù)方法

（一）水深測(cè)量

根據(jù)使用的測(cè)量工具，測(cè)深方法主要有：人工測(cè)量、單波束聲吶測(cè)深儀測(cè)量、多波束聲吶測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量等。

1.人工測(cè)量主要利用測(cè)深錘、測(cè)深桿對(duì)水深進(jìn)行測(cè)量。其中測(cè)深錘只適用于水深較小、流速不大的淺水區(qū)，且精度差、工作效率低，現(xiàn)已很少使用。這是較為傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，在現(xiàn)階段主要應(yīng)用在淺灘水深少于100cm的地區(qū)，因?yàn)檫@些地區(qū)水深過(guò)淺，聲吶難以準(zhǔn)確地反映出水下地形特征。

2.單波束測(cè)深聲吶（也稱回聲測(cè)深儀）是目前用途最廣，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行水深測(cè)量的最基本的儀器。聲吶是仿生學(xué)的重大突破，其特點(diǎn)是能夠發(fā)出特定頻率的音頻聲波，聲波在和物體接觸的時(shí)候，會(huì)根據(jù)接觸面材質(zhì)的不同發(fā)生不同程度的回彈，而測(cè)探儀能夠接收到回彈的聲波，根據(jù)回彈的速度和聲波在水域的速度綜合分析研究，以確定儀器和前方物體之間的距離。若要求水面至水底的深度時(shí)，則應(yīng)將測(cè)得的水深加上換能器的吃水，可得水面至水底的深度。

（二）導(dǎo)航定位

水下地形測(cè)量時(shí)，測(cè)量船須沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的測(cè)線行駛，并且按照規(guī)定的時(shí)間或距離獲取水深值和該水深值的平面位置。在20世紀(jì)90年代以前，有多種定位方法用于水下地形測(cè)量，如交會(huì)法、極坐標(biāo)法、微波測(cè)距系統(tǒng)和無(wú)線電定位系統(tǒng)等。目前，GPS幾乎完全取代了這些傳統(tǒng)的定位方法，成為水下地形測(cè)量工作中最主要的定位手段，傳統(tǒng)方法在實(shí)際工作中已經(jīng)極少使用了。特別是離岸較近的情況下使用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（簡(jiǎn)稱RTK）測(cè)量方式使定位更加簡(jiǎn)便快捷。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本思想是，在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站。在流動(dòng)站上，GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及其精度。

（三）水位觀測(cè)

水深測(cè)量需與陸地上平面位置與高程聯(lián)系起來(lái)才具有水下地形測(cè)繪等實(shí)用價(jià)值。測(cè)深與高程系統(tǒng)的聯(lián)系，一般通過(guò)水位觀測(cè)的措施。簡(jiǎn)單的水位觀測(cè)站為立在岸邊水中的標(biāo)尺，標(biāo)尺零點(diǎn)高程通過(guò)與水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)求得。水深測(cè)量期間，按一定時(shí)間間隔對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行讀數(shù)，并繪制成水位-時(shí)間曲線，由此曲線即可得到測(cè)深時(shí)水面的瞬間高程，從而根據(jù)水深就可得到水底的高程。在落差較大的地區(qū)，應(yīng)設(shè)置多個(gè)水位觀測(cè)站，并利用其測(cè)值按距離或高差進(jìn)行歸算改正。

三、水下地形測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

（一）RTK技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

1.根據(jù)實(shí)際情況布設(shè)制定控制網(wǎng)的位置，RTK技術(shù)通過(guò)差分技術(shù)分析實(shí)施測(cè)量，此時(shí)在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的作用范圍內(nèi)達(dá)到相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度與精度，通常情況下此技術(shù)并不需要鋪設(shè)較多已知點(diǎn)。例如在2平方公里范圍內(nèi)三個(gè)控制點(diǎn)就能達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，某一點(diǎn)作基準(zhǔn)站的架設(shè)位置、其余兩點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化參數(shù)的求算，通過(guò)校核就能復(fù)核相互關(guān)系是否準(zhǔn)確，此外三個(gè)控制點(diǎn)如若分布在測(cè)量區(qū)域的周邊位置就可用于求解其參數(shù)?？刂泣c(diǎn)的架設(shè)位置的選擇應(yīng)該盡量集中在測(cè)量能達(dá)到的區(qū)域內(nèi)，保障轉(zhuǎn)換參數(shù)的順利測(cè)繪。

2.進(jìn)行水下地形的全過(guò)程測(cè)量，此過(guò)程需要接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)和探測(cè)儀的組合使用：

第一，確認(rèn)準(zhǔn)基站的位置，在考慮布設(shè)環(huán)境的基礎(chǔ)上，考慮GPS的傳輸信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸是否能達(dá)到接收機(jī)所在的位置、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)作用時(shí)被影響的環(huán)境因素，發(fā)射臺(tái)盡量布設(shè)至一定高度；

第二，采用RTK技術(shù)測(cè)量時(shí)，GPS測(cè)量得到了相關(guān)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，就能對(duì)相關(guān)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換參數(shù)，當(dāng)基準(zhǔn)站開始工作后，相關(guān)連接儀器的測(cè)量工作也會(huì)隨之開始，將已知點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入得到轉(zhuǎn)換參數(shù)；

第三，在水域環(huán)境中導(dǎo)航儀器輔助GPS的測(cè)量工作，由于水面上不存在參照物，只能根據(jù)事先準(zhǔn)備的工作線進(jìn)行操作，采用RTK技術(shù)在測(cè)量區(qū)域內(nèi)設(shè)置相關(guān)功能；

第四，RTK技術(shù)的后續(xù)工作就是測(cè)探儀將傳輸?shù)玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，這些實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水深經(jīng)過(guò)運(yùn)算就可以得出相應(yīng)位置的高程。成圖軟件就可以集中這些位點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，進(jìn)而編輯出水下地形圖。

（二）無(wú)人測(cè)量船測(cè)量水下地形

科技的發(fā)展使得測(cè)量行業(yè)也有了巨大變革，無(wú)人船也被投入到了現(xiàn)階段的水域測(cè)量工作，能夠?qū)⑺聹y(cè)量的設(shè)備裝載到無(wú)人船上，通過(guò)精確的聲吶、全球定位系統(tǒng)等遙感設(shè)備，結(jié)合新興的遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)操作技術(shù)人員在岸上就能夠時(shí)時(shí)的監(jiān)控?zé)o人船只情況，并就無(wú)人測(cè)量船回傳的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。但在離岸較遠(yuǎn)或風(fēng)浪較大的水域無(wú)法應(yīng)用。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)水底地形進(jìn)行測(cè)繪，并繪制出相應(yīng)的水下地形地貌圖，對(duì)于我國(guó)水上運(yùn)輸、設(shè)計(jì)航行路線、水底資源探索開采及養(yǎng)殖而言，有著重大的實(shí)施意義及廣闊的經(jīng)濟(jì)前進(jìn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，水下地形測(cè)量的需求不斷增加。水下地形測(cè)量的手段有很多種，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并存。因此，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)依據(jù)工程的具體情況而選擇恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法，除了對(duì)測(cè)量時(shí)的環(huán)境因素和精度進(jìn)行全面考慮之外，還應(yīng)當(dāng)不斷的創(chuàng)新，采取科學(xué)的手段來(lái)彌補(bǔ)測(cè)量手段的不足之處，從而在未來(lái)的道路上可以使水上測(cè)量事業(yè)的不斷進(jìn)步。

[1]羅忠.GPSRTK技術(shù)在地形測(cè)量中的應(yīng)用分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017,07:294.

[2]鐘會(huì)華.水下地形測(cè)量中的GPS誤差分析及控制策略[J].珠江水運(yùn),2017,03:74-75.

[3]秦昌杰,謝敏真.CORSRTK無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量技術(shù)在上海潮灘測(cè)量中的應(yīng)用[J].上海國(guó)土資源,2017,01:96-99.