海洋測(cè)繪通信技術(shù)在航道疏浚工程測(cè)量中的實(shí)踐

吳澤獻(xiàn)

（上海元易勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司， 上海 201203）

0 引言

近年來，我國(guó)水上航道線路的開發(fā)和建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，不僅有效提高了水資源利用率，同時(shí)也緩解了陸地交通擁堵的狀況，具有很強(qiáng)的實(shí)際作用價(jià)值。而要想維持航道長(zhǎng)期通暢運(yùn)行，就必須定期對(duì)其進(jìn)行一定的疏浚處理，疏浚施工之前則要進(jìn)行一系列的航道測(cè)量。海洋測(cè)繪通信技術(shù)是一種比較先進(jìn)的測(cè)繪方法，與傳統(tǒng)測(cè)繪模式相比測(cè)量結(jié)果的精確度和可靠度都更高，測(cè)量效率也更快，有助于縮短整個(gè)航道疏浚工程的工期。

1 航道疏浚工程概況

本文所涉及的項(xiàng)目主要為五尺溝（大治河-大蘆線一期）航道維護(hù)疏浚工程，工程實(shí)施的主要內(nèi)容是對(duì)現(xiàn)有航道進(jìn)行檢查，對(duì)存在淤塞情況的部分，進(jìn)行必要的疏浚，同時(shí)要求疏浚完成后需對(duì)周邊自然環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，最后確定所有妨礙航道通行的雜質(zhì)等都被清除之后，再于航道外側(cè)新建相應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以減少后續(xù)雜質(zhì)向巷道內(nèi)積聚的幾率。本次航道疏浚工程中面積大概在29.7 萬m3左右，新增維護(hù)大概2.6km，整體工期要求在五個(gè)月內(nèi)完成。

2 海洋測(cè)繪通訊技術(shù)概述

2.1 LRK 測(cè)量技術(shù)

所謂LRK，實(shí)際上就是一種可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離雙頻實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)載波定位的技術(shù)，通過與GPS 設(shè)備配合使用，便可以獲得全方位的定位數(shù)據(jù)。具體操作方法是，把GPS 信號(hào)接收器安裝在測(cè)繪載體上，并于地面設(shè)置多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，然后通過遠(yuǎn)程遙控設(shè)備指揮載體運(yùn)動(dòng)，對(duì)需要測(cè)繪空間內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，并將收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸回終端計(jì)算機(jī)設(shè)備，這樣便可以隨時(shí)掌握運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)行軌跡，準(zhǔn)確掌握航道線的空間布局狀況[1]。

LRK 測(cè)量技術(shù)的特征優(yōu)勢(shì)在于，可以根據(jù)不同時(shí)段定位的要求來提供靈活的動(dòng)態(tài)定位服務(wù)，細(xì)化后可以將這種動(dòng)態(tài)定位分為以下兩種：分別是后處理差分動(dòng)態(tài)定位和實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位。其中后者在使用過程中，首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的無線電DGPS 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，才能在設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)的同時(shí)，同步計(jì)算出具體的定位數(shù)據(jù)。DGPS 的優(yōu)勢(shì)特征在于可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)運(yùn)輸，而且能夠保障較高的運(yùn)輸效率和運(yùn)輸質(zhì)量。

總而言之，航道測(cè)量過程中會(huì)因?yàn)橹T多因素導(dǎo)致視距受到影響，比如電臺(tái)天線的裝配高度、設(shè)備數(shù)據(jù)鏈以及接受臺(tái)和發(fā)射臺(tái)的高度等，采用LRK 測(cè)量技術(shù)可以有效抵抗這些影響，獲得更加可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2 潮位遙報(bào)系統(tǒng)

航道距離通常都會(huì)規(guī)劃的比較長(zhǎng)，而近陸地處和遠(yuǎn)陸地處的水位存在很大差異，這就使得航道疏浚工程開始之前必須對(duì)潮位變化狀況加以掌握。本項(xiàng)目中所涉及的五尺溝航道距離陸地最遠(yuǎn)處和陸地之間的間隔將近20km，港口內(nèi)外的水位差很大，對(duì)航道定位測(cè)量有較大制約，其中最主要的影響因素主要有兩點(diǎn)，分別是潮汐時(shí)間和潮汐差，在該條件狀況下進(jìn)行航道測(cè)繪，不同位置和不同時(shí)間測(cè)量出來的潮位值不會(huì)完全相同，所以后期還需要人為進(jìn)行分類和整合處理。根據(jù)相關(guān)航道測(cè)繪規(guī)范要求以及實(shí)踐試驗(yàn)得出，本項(xiàng)目中統(tǒng)一位置點(diǎn)各個(gè)潮汐時(shí)間段內(nèi)測(cè)量的數(shù)據(jù)差最多大概在0.5 米左右[2]。

2.3 多波束系統(tǒng)

多波束系統(tǒng)可以同時(shí)完成對(duì)數(shù)十個(gè)相鄰窄波束的回聲測(cè)探，用于航道測(cè)繪工程，可以通過獲得的數(shù)據(jù)對(duì)航道深度以及航道的水底形態(tài)圖建立數(shù)據(jù)模型，在無需人工下水的情況下便了解到航道的基本參數(shù)和使用狀況。因?yàn)樵撓到y(tǒng)是通過回聲能量進(jìn)行傳感測(cè)量的，所以在使用該系統(tǒng)之前，首先需要安裝相應(yīng)的換能器，以便對(duì)聲能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。換能器是航道疏浚測(cè)繪工程中幾乎每天都要使用到的儀器，該設(shè)備安裝是否可靠，是決定后續(xù)多波束系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素。所以相關(guān)技術(shù)人員在安裝時(shí)必須確保設(shè)備各個(gè)構(gòu)件連接緊固，并且使用之前要對(duì)設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)試各項(xiàng)功能是否能夠正常運(yùn)行，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)換誤差。

此外，還應(yīng)注意防止測(cè)量船行駛或者停岸過程對(duì)換能器及其配套設(shè)備造成擦傷或裝上，具體而言，測(cè)量人員可以在測(cè)量結(jié)束后及時(shí)把換能器提升出水面，放在船舷范圍內(nèi)，這樣不僅可以保護(hù)換能器，而且還能提高設(shè)備拖放效率，縮短測(cè)量周期。雖然多波束測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)具有較高的自動(dòng)化特征，但是受到諸多因素影響，測(cè)量后的結(jié)果或多或少還會(huì)存在一定的偏差，針對(duì)這種情況，測(cè)量人員在收集到完整數(shù)據(jù)之后，還需要利用專門的系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行審核校驗(yàn)，然后將校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)輸入處理軟件進(jìn)行作為最終的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

3 現(xiàn)代測(cè)繪通訊技術(shù)實(shí)踐

3.1 LRK 測(cè)量技術(shù)

本次航道疏浚工程中在使用LRK 測(cè)量技術(shù)時(shí)選擇了Sagitta 射手接收機(jī)，該設(shè)備的作用功能主要是依賴于UHF 電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)的，具有靈活度高、選擇性強(qiáng)、高度集成化等諸多優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行起來比較穩(wěn)定安全，而且數(shù)據(jù)可以覆蓋較為廣泛的作業(yè)范圍，這對(duì)于航道距離較長(zhǎng)的疏浚測(cè)繪工程來說非常實(shí)用，有數(shù)據(jù)顯示，通過該設(shè)備最遠(yuǎn)可以實(shí)現(xiàn)40km 以上的距離定位，而且精確度仍然能夠保持在理想狀態(tài)。在本次五尺溝（大治河-大蘆線一期）航道疏浚工程測(cè)量項(xiàng)目中，將LRK 技術(shù)與遙報(bào)儀進(jìn)行了聯(lián)合使用，建立了一套高效率和高精準(zhǔn)度的驗(yàn)潮方式，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)精度測(cè)量，并通過相關(guān)數(shù)據(jù)模擬建立了三維立體的航道水下地形模型，這在后續(xù)指揮航道船定位疏浚位置和明確疏浚內(nèi)容等，都有十分積極的幫助，大大提高了淤泥清除效率。

3.2 基準(zhǔn)臺(tái)站的自動(dòng)化遙控裝置

本次針對(duì)尺溝（大治河-大蘆線一期）航道疏浚工程測(cè)量項(xiàng)目采用了很多自動(dòng)化技術(shù)，其中遙控技術(shù)是最為主要的一種，整個(gè)航道定位測(cè)量以及淤泥堵塞地形測(cè)繪等，都需要用遙控裝置進(jìn)行設(shè)備控制。此外，船舶的運(yùn)行也需要通過遙控技術(shù)來進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮。為了確保整個(gè)測(cè)量過程中遙控功能的穩(wěn)定性，實(shí)際測(cè)量過程中使用了可靠度較高的GPS 差分基準(zhǔn)臺(tái)來對(duì)動(dòng)態(tài)載體進(jìn)行遙測(cè)。考慮到測(cè)量工作一般在白天進(jìn)行，所以晚上會(huì)對(duì)該基準(zhǔn)臺(tái)站進(jìn)行斷電處理，這樣一方面可以減少資源浪費(fèi)，另一方面也能避免設(shè)備二十四小時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)，有助于減少設(shè)備損耗。至于電源關(guān)閉方式，同樣采用自動(dòng)化控制技術(shù)，因?yàn)楸卷?xiàng)目中GPS 基準(zhǔn)臺(tái)站設(shè)置在VTS 塔上，不便采用人為方式進(jìn)行干預(yù)[4]。

3.3 深度基準(zhǔn)面的傳輸

水環(huán)境測(cè)量的設(shè)備和技術(shù)實(shí)際上有很多種，但是與常規(guī)水體測(cè)量相比，位于海域范圍內(nèi)的航道測(cè)量顯然要更加復(fù)雜，普通的水深探測(cè)設(shè)備只需要對(duì)水體某個(gè)時(shí)間段的瞬時(shí)深度進(jìn)行測(cè)量即可，因?yàn)樗徊粫?huì)發(fā)生較大變化。而海洋航道的水深卻是時(shí)刻改變的，特別是發(fā)生潮汐或者遇到風(fēng)浪時(shí)，更會(huì)呈現(xiàn)出很大的波動(dòng)。因此，為了獲得具有參考價(jià)值的航道參考數(shù)據(jù)，本次測(cè)量過程中進(jìn)行了多次瞬間測(cè)深作業(yè)，并將獲得的數(shù)據(jù)集中進(jìn)行二次統(tǒng)計(jì)分析，最后得到相對(duì)平穩(wěn)的深度基準(zhǔn)面，具體的計(jì)算公式如下：

L(x,y)=MSL(x,y)-l(x,y)

其中L(x,y)代表x,y 位置的深度基準(zhǔn)面高程；MSL(x,y)代表平均海面；l(x,y)代表平均海面和深度基準(zhǔn)面的差異數(shù)。

針對(duì)以上公式通常可以采取兩種數(shù)據(jù)分析方法，分別的同步改正法和回歸分析法，本次航道疏浚工程主要采用了前一種方法，以測(cè)量船為驗(yàn)潮站點(diǎn)，明確相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)值

3.4 潮位遙報(bào)系統(tǒng)

本次針對(duì)五尺溝（大治河-大蘆線一期）航道疏浚工程測(cè)量項(xiàng)目所采用的潮位遙報(bào)系統(tǒng)主要有浮子式自動(dòng)驗(yàn)潮儀、壓力感應(yīng)式自動(dòng)驗(yàn)潮儀和傳統(tǒng)潮位遙報(bào)驗(yàn)潮儀，其中潮位遙報(bào)系統(tǒng)聯(lián)合LRK-DGPS 系統(tǒng)一起使用。另外本次測(cè)量還配置了相應(yīng)的平面定位設(shè)備，以便對(duì)潮水位置進(jìn)一步精確。每種驗(yàn)潮儀的具體使用情況如下：浮子式自動(dòng)驗(yàn)潮儀依靠搭建VHF 環(huán)境系統(tǒng)來對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行輸送，數(shù)據(jù)傳輸頻率為五分鐘一次，終端數(shù)據(jù)中心則配置數(shù)據(jù)接收器，同步獲取潮位信息，通過計(jì)算機(jī)窗口來計(jì)算輸出綜合數(shù)據(jù)，該驗(yàn)潮儀設(shè)備所獲得的數(shù)據(jù)精度穩(wěn)定控制在1cm 以內(nèi)，精確度較高；壓力感應(yīng)式自動(dòng)驗(yàn)潮儀主要是通過壓力探頭感應(yīng)電流電壓信號(hào)變化從而轉(zhuǎn)化為潮位值，使用該儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，每間隔一小時(shí)進(jìn)行一次即可。至于傳統(tǒng)潮位遙報(bào)驗(yàn)潮儀聯(lián)合LRK-DPGS，本次航道疏浚工程測(cè)量主要用在了距離陸地較為位置處的數(shù)據(jù)獲取[5]。

3.5 多波束測(cè)量

多波束測(cè)量是一種比較高端先進(jìn)的智能化水深測(cè)量技術(shù)，其具體的性能參數(shù)如下表所示：

表1 多波束水深測(cè)量?jī)x參數(shù)

該儀器操作過程相對(duì)也比較復(fù)雜，很容易受到外界環(huán)境影響而導(dǎo)致測(cè)量誤差。為了避免類似問題的發(fā)生，本次航道疏浚測(cè)量過程中直接在測(cè)量船上配備了數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)設(shè)備，并建立了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，這樣便可以為多波束測(cè)量創(chuàng)造最為穩(wěn)定的作業(yè)條件，減少其他因素的干擾，從而提高測(cè)量質(zhì)量和測(cè)量效率。為了對(duì)航道進(jìn)行全方位的測(cè)量，本次測(cè)量工程中事先還布置了許多測(cè)量線，最大范圍覆蓋了航道面積，使得獲得的數(shù)據(jù)更為完整。

4 測(cè)量效果分析

本次針對(duì)五尺溝（大治河-大蘆線一期）航道疏浚工程測(cè)量所使用的測(cè)量技術(shù)種類豐富、技術(shù)先進(jìn)，最終獲得了良好的測(cè)量效果，其中特別是多波束測(cè)量技術(shù)起到了非常突出的作用價(jià)值，有效解決了傳統(tǒng)測(cè)量模式下數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍窄的缺陷問題，而且還大大提高了測(cè)繪精度。另外，本次航道疏浚工程測(cè)量工作中還是采用先進(jìn)的數(shù)字化信息處理技術(shù)，將所采集到 海量信息通過計(jì)算機(jī)壓縮成壓縮包，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，使得測(cè)繪速度大大提升，實(shí)踐證明，這種多類型測(cè)繪技術(shù)合并使用的測(cè)量方法推廣。

5 結(jié)論

本次對(duì)五尺溝（大治河-大蘆線一期）航道疏浚工程所開展的測(cè)量工作，最終取得了值得肯定的成績(jī)，無論是測(cè)量效率還是數(shù)據(jù)質(zhì)量方面，都達(dá)到了預(yù)期效果，而且還為我國(guó)航道疏浚工作的高效開展提供更多的思路，使得本次航道疏浚得以在工期范圍內(nèi)順利完成疏通，保證了航道的正常使用。此外，本次測(cè)量工程也收獲了寶貴的航道工程測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，特別是在多測(cè)量技術(shù)配合使用方面，有了更深層的理解，這對(duì)日后測(cè)量其他航道工程提供了可靠的參考案例。