水下地形测量的影响因素及解决方法

史 红 礼，王 池

(中国水利水电第七工程局有限公司 国际工程公司，四川 成都 610081)

1 概 述

三维坐标(X,Y,Z)是绘制地形图最基本的数据。水下地形测量是由地面三维坐标(X,Y,Z1)和水深测量(Z2)相结合实现的，即(X,Y,Z1+Z2)。水上平面测量可以采用全站仪、GPS等常规方法实现，但在水中采集水下三维坐标的方法相对比较复杂，通常采用测深仪予以实现。笔者以回声测深仪为例做一简单分析。

2 回声测深仪(echo-sounder)的定义、工作原理及种类

回声测深仪是利用声波在水中反射的信息计算出水深的仪器。

回声测深仪的工作原理是利用一组发射换能器在水下发射声波，使声波于垂直方向在水域介质中传播，待碰到目标后再被反射回来，被反射回来的声波被接收换能器接收，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度即可以求得障碍物与换能器之间的距离，然后再由声纳分析员或计算机处理所收到的信号，进而确定目标的参数和类型。

回声测深仪类型很多，大体可分为记录式和数字式两类。通常其均由振荡器、发射换能器、接收换能器、放大器、显示和记录部分组成，宜用于水深大于20 m的水域。

3 影响回声测深仪测量水深的主要因素

声波在水域中的传播速度随水域的温度、盐度和水中压强等变化。在水下地形测量中，对传播速度影响最大、最常见的因素为水温、水的流速、风浪、水中杂质、平面采集数据误差及平面测量与水深测量过程中读取数据是否同步的误差，笔者对主要因素进行了分析：

(1)介质对回声测深仪测量水深的影响。

声音的传播速度与介质的密度成正比。水的密度比空气高约800倍，故其传播速度比空气快的多，而水密度最高的时候在4 ℃(水分子的特性，使其结冰后膨胀，分子撑开后反而密度小，传播速度慢)，此时传播速度最快。当然，在4 ℃以上、温度更高、密度更小时其传播速度越慢。例如，常温下，海水中声速的典型值为1 500 m/s。如果测得声脉冲在水中往返的时间为3 s，则海水的深度为2 250 m，即1 500×3/2=2 250(m)。由于声波在海水中的传播速度随海水的温度、盐度和压力的变化而变化，所以，常温时海水中的声速的典型值为1 500 m/s，淡水中的声速为1 450 m/s。在每次使用测深仪之前，必须对测深仪做吃水对比试验。首先量取待测区域的水温，在对测深仪做零位和吃水校正后，对水深量化器做声速调整，使工前和工后测得的水深结果一致。

(2)水的流速影响及注意事项。

通常情况下，测量水深的过程是将测深仪连接在测量船上进行的，水的流速对船体的冲击也会直接影响到测量的精度。对于水深小于15 m、流速小于2 m/s的水域，测深中误差为±0.15 m;对于水深小于20 m、流速小于3 m/s的水域，测深中误差为±0.2 m;对于水深大于20 m且流速大于3 m/s时，通过采取尽量控制船体的速度的方式，测深中误差亦按照±0.2 m计算。

(3)水中杂质的影响及注意事项。

水底为树林或灌木丛生的区域不宜使用测深仪。在一般深水区域，声波常会碰到水中的悬浮物及水中生物，其亦会反射回接收器，因此会接收到错误的数据，为绘制地形图提供错误的信息。为避免此类情况的发生，对于有经验的测绘工作者，常采用减慢测船的行进速度、加密收集测点及对收集到的数据绘制等高线并对等高线进行分析、点位筛选或多次复测，最终达到理想的水下三维坐标数据。

(4)水深及水下陡坎的影响。

塔贝拉水电站现有4号隧洞进水口处需安装两套叠梁门进行封堵以满足下游竖井开挖的施工条件。叠梁门门槽底部高程为353.53 m，库区水位常年在高程430～474 m之间交替变化，由此可见叠梁门的安装封堵必须在水下约100 m处施工。因此，必须对深水水下地形进行精准测量以反映水下地貌情况，为施工设计提供准确图形。

由于受水深及水下陡坎的影响，前期的多次测量数据与现有结构不符。通过实践总结，所采取的处理办法为：对于水深，采用更换测深仪的方式，满足相对段位的百米以上测深仪器采集数据。对于深水下大陡坎区域采取两种处理方式：其一为水面精准定位，测量船到达陡坎顶部时停止，采用单点静态采集数据，但该方式效率较低；其二为购置高价位、先进的多波束测深仪器。两种方式各有利弊，可根据项目的具体情况采用测量方法。

(5)风浪的影响及注意事项。

一般情况下应尽量避免在风浪天气对工作区域进行水下地形测量。因为测船在风浪天气时摇摆不定，船首附近受水流的冲击影响较大，也容易在换能器底部产生气泡，这种环境下接收器接收的数据不能正确反映测区的水下三维坐标。

(6)平面数据采集与水深数据采集的时差影响。

在常规测量过程中，从经济适用性方面考虑，一般的项目会采用全站仪结合回声测深仪实现水下三维坐标的测量，但会存在全站仪读取数据与测深仪读取数据之间的时差问题而影响到数据的精度。如果要求更高精度的数据，也可采用GPS-RTK配合数字化测深仪实现。这种方式是通过数据线直接连接便携式电脑记录数据，可以减少读数与记录之间的时差，更及时、准确地反映实测数据。

4 结 语

水下地形测量是水上平面测量和水中水深测量相结合实现的，因此，测深点的定位可根据不同情况和条件选择测角前方交会法、全站仪极坐标法、GPS定位等方式。但是，不管采用哪种方式，由于水域自身影响的因素很多，在实际测量过程中，只要能按照以上的描述加以注意，就能得出理想的测绘数据。然而，关键的是在绘制地形图的过程中要对原始数据生成的等高线加以分析，再对所测数据进行筛选，主要表现在三维地形图形中不能出现等高线交叉、直拐或非圆滑变化等错误特性。如果筛选后绘制的地形图还存在类似问题，就必须对该区域进行重测，直到得出能够实际反映水下地形的三维坐标，最终绘制出合格的地形图。