近海域水下地形测量方法探析

高金平 赵淑屏

中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津市 300222

近海域水下地形测量方法探析

高金平 赵淑屏

中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津市 300222

近海域水下地形测量采用常规的测量方法已不再适应，随着CORS定位技术的发展，GPS配合数字化测深仪已成为当前主流的测量模式，本文结合近海域水下地形测量的具体应用和水下测量工作原理，给出一种切实可靠、高效的水下测量方法。

水下地形；CORS；测深仪；高程基准

引 言

水下地形测量在河道疏浚及水库、港口、码头、桥梁等工程建设中发挥着重要作用，尤其在防洪减灾的应用中彰显出了巨大的经济效益和社会效益，是现代水利工程中一项重要的工程技术。但在近海域水下地形测量时，由于受到风浪、潮汐，水深等因素的影响，常规的测量手段已不能完全适应，我们采用了CORS技术，结合RKT配合数字测深仪这种全新的测量模式，取得了非常好的效果。

1 常规测量方法

常规的水下地形测量方法有：

1）交会法：采用六分仪或经纬仪进行前方交会和侧方交会；

2）极坐标法：适合于水面不宽、流速较小、无风浪的水域上；

3）断面索定位法：在进行大比例尺水下地形测量时，由于水面窄、测深浅、测点密度大、测设精度要求高，多采用此法进行；

4）地面无线电定位法：适合于水域广阔的湖泊、港口、河口和海洋上进行的测深定位，此方法定位精度高，操作方便，不受通视及气候的影响。

2 GPS测量定位方法

利用CORS基站系统，采用实时动态测量（RTK）对测深点进行定位，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位成果，并达到厘米级精度。

此次作业拟采用科力达公司生产的K9T双频RTK。精度指标为水平精度±1cm+1ppm，垂直精度±2cm+1ppm。

3 测深点的水深测量

水深测量采用回声测深仪进行施测。施测时采用科力达测绘仪器公司所生产的SDE-28S型数字化回声测深仪。该仪器测深范围：0.39～300m，测深精度：0.01±0.1%。此仪器抗干扰能力强，回波信号数字化算法确保在复杂水下环境下跟踪河底。输出连续的可靠的水深数据。

对于浅水区域的水深测量，因为太大的船开不过去，可采用小船（或人工划）的方式配合GPS+测深仪进行。如水域太浅（≤0.4米），可采用测深杆测量水深（或直接用GPS的对中杆进行量测）。

航道间距宜在20～30米，航点间距宜在20米左右。

4 潮汐改正

利用GPS RTK定位技术可实现无水位观测的水下地形测量。

其原理如图1。

图1

h为GPS天线到吃水线的高度

Z 为测深仪换能器设定吃水

Z为测量的水深值

Zp为绘图水深

H为RTK测得的相对深度基准面的高程

Zp=Z+Zo-(H-h).

其中，H-h是瞬时水面至深度基准面的高度即水位值。当水面由于潮水或者波浪升高时，H增大，相应地Z也增加相同的值。根据上式，Zp将不变。因此，从理论上讲，GPS RTK无验潮测深，将消除波浪和潮位的影响，是一种较好的水深测量方法。

5 水深数据处理及成图

5.1 数据预处理

数据预处理是对水深数据编辑与清理前做的必要改正。包括水位改正、吃水改正、声速改正、时间延迟改正等。数据预处理软件中的各项改正都有格式要求，把测量好的改正数按照软件格式要求输入，进行自动或人工改正。

5.2 定位数据的编辑与处理

影响定位数据精度的因素很多，如卫星信号质量、信号盲区等、甚至天气、海况也有影响，使定位资料不可避免地出现错误。其中主要是偏离真实位置的“飞点”，应对这些可疑的数据进行剔除。

5.3 水深数据的处理

水深数据处理的主要任务是利用自动清理和人机互动的方式清理错误水深，剔除虚假信息，保留真实信息，剔除一些不可能的孤立点、跃点和噪声点。

5.4 编辑成图

编辑成图采用南方公司的数字化专用软件CASS成图。可完成海岸地形和水下地形一体化成图。可实现多用途数字化地形测绘与GIS管理功能。把数据处理后的DWG格式文件，在系统中进行数据属性转换，建模生成等深线或水下等高线，再进行地形图编辑，得到符合要求的1：1000水下地形图。

此外，测量成图的具体要求按《水运工程测量规范》执行，但表达方式上需符合以下要求：

①测量单位应具备形成三维图纸的条件，即可以水深点附以Z轴信息，请用下列表达方式。

上述一个水深点用三个独立图元表示。其中的定位点应放在一个单独的图层上。

②请不要用海图的表达方式标注测点水深数据。

③正负关系的表达请参照规范执行，但给定位点所赋的Z值应为实际数值。

6 质量保证措施

6.1 为了保证测深成果的可靠性，我们应分时段校正时差，在测前测后选择底质较硬，水深为2m左右的地方，用测深仪与测杆分别测量水深，来比较测深仪的技术性能是否正常。

6.2 水深测量作业前，结束后，应将流动站安置在控制点上进行定位检查。作业中发现问题应及时进行检验和比对。

6.3 定位数据与测深应保证同步，否则应进行延时改正。

6.4 测深过程中测深结束后，应对测深断面进行检查，检查断面与测深断面宜垂直相交，检查点数不应少于5%，检查断面与测深断面相交处，图上1mm范围内水深点的深度较差不应超过下表：

表1 深度检查较差的限差

6.5 船台的流动天线应牢固地安置在船侧较高处并与金属物体绝缘，天线位置宜与测深仪换能器处于同一垂线上。

6.6 在作业过程中，始终要注意保证作业人员及施测仪器的安全。做到以防为主，消除一切安全隐患。

7 结束语

通过实践我们形成了一套成熟的水下地形测量的数据采集、处理和成图技术，其要点为：

1）采用CORS(或基站)配合RTK技术，在相应的软件支持下，指挥船老大按要求进行行驶，由计算机自动同步采集坐标数据和测深值；

2）利用软件对水深值的系统误差，特别是粗差进行处理，得到相对可靠的观测值；

3）在相应软件的支持下，形成等高线进行水下地形图的绘制，并按要求输出不同比例尺的水下地形图。

利用CORS配合RTK技术+数字测深仪进行水下地形测量，是目前较为先进的、高效的测量方法，但其也有一定的局限性，如在陡峭的峡谷、河道还不能取代常规的测量方法，但随着GPS技术的不断发展，利用RTK配合数字测深仪进行水下地形测量将有更广阔的前景。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.003

高金平，1962.2出生，山西临县人，大学本科，高级工程师，主持参加了南水北调中线一期、山西省引黄工程、黄河沙坡头水利枢纽、援阿富汗帕尔旺水利工程等大、中型水利工程测量工作。现为中水北方勘测设计研究有限责任公司航测遥感院副院长。