水运工程测绘新技术应用回顾与展望

郭文伟

（中交天津航道局有限公司，天津 300381）

0 引言

我国水运工程测绘战线长期坚持技术引进和国际交流，保证了我国水运工程测量能够与当代国际测绘技术同步发展。进入21世纪以来，我国测绘事业发展迅速，特别是RTK-DGPS三维定位技术、多波束全覆盖测深及数字化自动成图等新技术的广泛应用，使大多数水运工程测量都基本实现了定位、测深及水位数据采集、数字成图一体化。在水运工程控制测量（含水位控制）、地形测量、水深测量、制图、地理信息系统、水上应急指挥系统、船舶动态监控系统等方面，取得了我国水运工程测绘事业前所未有的成就[1-2]。回顾我国水运工程测绘新技术应用成果，进一步总结测绘新技术应用经验，将为测绘新技术的研究和开发，广开新的发展思路，拓展更加广阔的应用空间。

1 平面控制测量

20世纪80年代，我国水运工程建设领域开始引进了GPS定位技术，90年代得到了空前的发展，特别是随着载波相位GPS及其RTK差分技术的应用，使得相对动态三维定位的精度可以达到分米至厘米级，完全可以满足水运工程测量各种比例尺测图及部分施工测量对平面控制测量的精度要求。例如：在我国内河航道测量中，不少通航的内河流域都建立了GPS平面控制网。其中在长江流域，由长江航道局组织建立了长江干线航道GPSC级控制网，覆盖了上自四川宜宾，下至江苏浏河口，全长2 128 km，跨越四川、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海，共布设GPSC级点102个。该项目在航道测量的控制网建设上达到国内领先水平。长江干线航道GPSC级网的建成，为长江航运发展及航道建设提供了高精度平面控制基础。其他内河流域也都利用GPS对平面控制网进行了改造和扩建。

同时，在沿海各个港口也都建立了较高精度的GPS控制网，在各项水运工程施工测量中广泛地应用了GPS、RTK技术，为保证工程质量建立了可靠的测量控制基础。例如上海港及长江口、天津港及大沽口、广州黄埔港及珠江口、青岛、秦皇岛、大连等数十个港口，都利用GPS对原平面控制网进行了全面或部分改造，建立了新的平面控制网。为各港口建设提供了精确可靠的平面控制测量基础保证。

在广泛应用GPS、RTK技术的同时，我国研制和建立的北斗卫星导航定位系统正在有关领域内开始推广应用[3]，并在以更快的速度发展。为了进一步应用俄罗斯的GLONASS卫星定位系统、欧洲“伽利略”系统和网络RTK技术，部分水运工程测量单位已着手配置相关技术应用软件，并开始对相关技术应用进行研究。全球卫星定位系统三维定位技术的发展应用，必将为我国的平面控制测量的进步开辟更加广阔的发展前景。

2 高程测量

20世纪90年代后期，我国GPS高程测量技术得到空前发展，采用GPS水准法进行高程控制测量已可达到四等水准测量的精度，水运工程测量系统也开始应用GPS高程测量。进入21世纪以来，应用GPS水准法结合地面重力数据、地面高程模型及航空重力数据、卫星重力梯度测量等技术手段，使得区域似大地水准面精化技术得到长足发展。随着高精度电子全站仪的产生，电磁波三角高程测量精度有了新的提高，这为进行长距离的跨河（海）高程测量提供了新的可靠的工作模式。

目前，我国将大地水准面的精度提高到厘米级，对于大比例尺快速成图和水运工程测量十分有利。通过进行似大地水准面精化，在其覆盖范围内进行高程控传递变得异常简单，利用一台流动站GPS接收机即可实时得到测点的高程，其精度可达到或优于四等水准测量的精度。港珠澳大桥干坞工程（珠海桂山岛）高程传递，依据最新的地球重力场理论和方法，与GPS水准联合求解，精度达到6 mm。卫星定位技术、CORS网络技术必将成为今后高程控制测量手段的主导。随着测角、测距精度的提高，三角高程测量技术也将在长距离的跨河水准测量方面等水运工程测量中发挥更大的作用。

3 地形测量

上个世纪90年代以来，我国地形测量逐步由人工白纸测图发展到全站仪数字测图和目前的RTK-DGPS自动化数字成图。目前水运工程测量单位，已广泛利用全站仪或GPS全球定位系统和RTK技术，进行外业数据采集、传输、计算、储存，利用CASS7.0、AutoCAD、清华三维（Eps2000） 及进口软件等地形测量成图软件的数据处理、编辑与制图功能，实现了地形测量成果的“数字化”，基本结束了人工白纸测图的历史。

近年来，大比例尺的航空摄影、遥感影像等已开始在长江三峡库区地形测量中应用。数字地形测量在得到全面升华的同时，多种数据获取手段集成应用的现代地理信息技术正在水运工程地形测量中推广应用。在水运工程建设和科研中，以数字地形测量成果制作的电子地图和电子海图一样，也正在得到推广应用。随着空间技术、信息技术和通讯技术的飞跃发展，传统的地形测量正在转向多种数据获取手段集成应用的现代数字化地形（地理信息）处理系统的自动化成图。

4 水深测量

水深测量是涵盖当代测绘新技术最多的综合应用测量技术。水深测量新技术的发展和应用，代表着我国整个水运工程测量和海洋测绘的技术进步。主要体现在下列几个方面。

4.1 定位技术

在水深测量中，我国已全面实现了全球卫星实时差分定位，沿海小比例尺测图已广泛应用了RBN-DGPS（无线电信标差分GPS）导航定位，近年来，我国已开始推广应用RTK-DGPS三维定位技术，为实现平面定位与水位测量一体化的水深测量创造了条件。RTK-DGPS三维定位技术是一种高精度实时动态GPS载波相位差分定位技术。它由基准台、移动台及RTK差分数据链组成。移动台无需在已知点上做初始化，而直接在动态环境下确定整周模糊度，实时接收GPS定位信息，并按基准台发送的RTK差分改正数进行修正，获得厘米级精度的三维坐标。随着GPS测高技术的发展，为高精度三维定位技术的应用创作了条件。近年来，水运工程系统许多测量单位，都对这种新技术进行了实验研究，取得了丰富的经验。现已成功地应用于地形测量、水深测量和施工测量。

4.2 水位保证技术

20世纪90年代，为了满足水深测量自动化需要，在沿海和内河主要港口都研制或引进了自动遥报水位仪，大大提高了工作效率，实现了水深测量外业自动化成图。21世纪以来，全自动水位遥报系统功能大大增加，目前已利用它在全国主要港口建立了船舶交通管理系统和船舶安全航行动态管理系统，为我国港口建立GIS数字化管理系统创造了条件。

由于RTK-DGPS三维定位技术的应用，使RTK水位（利用RTK-DGPS定位设备所获得的测点处的实时水面高程）的获得，成为RTK三维水深测量自动化成图的水位保证重要环节。推动了水深测量的发展。

4.3 测深和航行障碍物探测技术

我国于上世纪90年代末就开始引进、推广应用简单轻便的数字化测深、多波束及侧扫声纳扫测技术和具有数字化、模块化、微型化和集成特性的磁力仪。多波束全覆盖测深已成为当今水深测量最重要、最前卫、效益最高、应用较广的测深手段。尤其多波束测深系统、侧扫声纳、磁力仪和浅地层剖面仪的配合应用，在我国水运工程建设、港口安全运营、海事救捞工作中，发挥了不可替代的作用。先后对我国沿海和内河港口数十项水底磁性目标成功地进行了探测、定位和打捞，为我国水运工程施工、沿海及内河航道畅通、港口安全运营及海事救捞作出了突出贡献，彰显了我国水下障碍物探测技术的最新成就。

4.4 适航水深测量

20世纪90年代末，天津港务局、天津市海慧海洋工程研究所、中交天津航道局有限公司等单位，借助于适航水深测量鼻祖工具三爪砣，成功地配合双频测深仪及密度计进行了适航水深测量的过渡性试验研究和应用，推动了我国自动化适航水深测量的发展。2003年以后，由天津水运工程科学研究院等单位相继引进了荷兰SILAS等走航式适航水深测量系统。目前，这一新技术已在我国淤泥质港口得到了广泛应用，创造了巨大的经济效益。为我国全面推广适航水深测量新技术开辟了应用前景。

4.5 RTK三维水深测量自动化成图技术

近年来，由于RTK-DGPS三维定位技术在我国水运工程测量中的成功应用，大大推动了平面位置与水位一体化测量模式下的水深测量技术的发展。RTK三维水深测量就是这项新技术的最新应用成果。它是采用实时动态GPS载波相位差分（即RTK-DGPS）三维定位技术，实时获得移动站的平面坐标和大地高（含测点水面同步大地高），在定位系统中央处理器的驱动下，同步实时采集测船三姿态和水深数据，并根据移动台卫星天线至水面的高度及深度基准面与大地高的关系，进行综合数据处理，实时自动获得测点的平面位置和图载水深，进行自动化成图的测量新技术。它就是曾被称为“RTK GPS水位法”（RealTime Water Levels from RTK GPS）、“RTK水深测量”（RTK River Bathymetry）、“RTK潮位法”或“RTK潮位改正法”及“RTK无验潮水深测量”的测量新技术。2009—2010年，我国交通运输部组织中交天津航道局有限公司、天津海事局海测大队、天津水运工程科学研究院等9个单位，完成了此项新技术应用的专题研究，总结了国内外此项技术的应用成果和经验，并将其统一定名为“RTK三维水深测量”。现已正式将其各项技术规定纳入了正在修订的《水运工程测量规范》中，为我国全面推广应用RTK三维水深测量自动化成图技术创造了条件。

随着“3S”技术在水运工程测量中进一步开发应用，港口GIS信息化管理，对水深测量数字化、自动化提出了更快、更高的要求。可以预计，21世纪RTK三维定位技术、全数字变频智能化单波束、多波束测深技术的全面发展及水下摄影和机载激光测深手段的应用[4]，将会大大促进水深测量新技术的应用和开发，水深测量的三维定位、测深一体化自动成图，将会更加快捷、高效和精确。

5 制图技术

计算机技术的发展为制图技术带来了革命性变化，自20世纪90年代以来，数字化地图及电子海图制图技术逐步改变了千百年来繁杂的手工制图状况，并同数据库技术和遥感技术等一并应用于水运工程测量中。特别是21世纪以来，水运工程测量制图技术与地理信息系统、空间信息可视化、虚拟现实技术、摄影测量与遥感、网络通信等相结合，得到了迅猛发展，出现了三维电子地图、导航电子地图、多种数据综合制图等[2]，它将为水运工程建设提供简便、直观、可视化等多角度、多视觉的测绘信息化服务。

近年来，我国已经完成了近海和沿海水域、长江、西江等内河水域不同比例尺电子海图（含内河电子航道图），达到了国际先进水平。为推动先进导航技术在船舶航行中的应用，发挥电子海图的航行保障作用，我国已对外公开发行了大量的沿海电子海图，部分内河水域也正在试用。

随着测绘事业的快速发展，电子海图、电子地图、地理信息系统和各种相关数字化测量及其成果的一体化综合应用技术，已成为当代最高端的测绘新技术之一，也是未来制图技术发展的一个重要趋势。数字环境下制图与出版一体化，GIS、GPS、RS空间信息系统集成，GIS与虚拟现实技术集成，互联网技术与多媒体动态可视化技术等在水运工程及海洋测绘中的综合应用，将会创造出内容更加丰富、表现多样的制图新产品，为水运事业的健康发展提供更加智能化、可视化、地理信息数据集成化的数字制图成果。

进入21世纪，我国应用这种技术在沿海和内河逐步开发、建立了多用途、多类别的水上安全管理系统。例如:长江南京至浏河口河段，已实现了地理信息数据的准确、规范和及时更新，水位数据实现了实时、自动遥报，船舶航行实时获取最新数字航道信息（航标信息、AIS船舶信息）等，保障了船舶自身安全和通航环境安全，提高了船舶营运效率，实现了港口、航道现代化信息交互管理。由中国海事局组织天津海事局等单位，开发、研究、建立的港口水上交通安全信息系统、水上应急指挥系统、船舶动态监控系统和引航系统等，已相继在全国范围内付诸实施，正在为我国水运事业保驾护航。这一高端技术在我国各个测量专业的广泛应用，必将为我国经济建设创造不可估量的经济效益。

可以预见，随着高精度的定位、测深、网络化、智能化测量和制图技术的发展，我国水运工程测量服务保障，必将会有更加辉煌的明天。

[1] 翟国君，黄谟涛.我国海洋测绘发展历程[J].海洋测绘，2009，29（4）：74-81.

[2]彭文.GIS新技术对海事测绘的影响探讨[C]//中国航海学会航标专业委员会测绘学组.中国航海学会航标专业委员会测绘学组学术研讨会学术交流论文集.上海：上海海事局航海图书印制中心，2006：294-297.

[3] 邓玉芬，张博，沈明，等.基于北斗卫星的海洋测量数据传输系统[J].海洋测绘，2009，29（4）：67-69.

[4] 陆修平，边少锋，黄谟涛，等.机载激光测深精度外部检验方法[J].海洋测绘.2011，31（2）：1-3.