无纸化测深技术在西部部分重要湖泊测量中的应用

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(1.长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000；2.西藏自治区水文水资源勘测局，西藏 拉萨 850000)

我国西部部分重要湖泊测量是国务院第一次全国水利普查的后续工作，也是国家水利前期工作之一。我国西部地区湖泊众多，特别是高原湖泊，多数位于高海拔地区，交通条件不便、自然环境恶劣。受技术、安全等众多因素制约，大多数高原湖泊未开展过系统科学的测量工作，湖泊基础资料匮乏、历史资料空白。为满足湖泊开发治理、生态环境保护、水资源管理、科学研究等工作需要，了解和掌握西部重要湖泊基本信息具有重要的社会意义和经济意义[1]。

高原湖泊水深测量精度是影响湖泊容积量算的一个重要因素。随着电子技术及计算机图像处理技术的不断发展，测深仪已能在输出纸质测深回波信号模拟记录的同时，将测深回波模拟信号数字化，通过计算机将数字化信号转换成电子图像进行储存，并且能达到与回声纸上的测深回波信号模拟记录的同等效果，从而实现无纸化水深测量[2]。在高原湖泊测量中采用无纸化水深测量技术，能有效提高湖泊水深测量精度，对保证湖泊容积量算的准确性和可追溯性具有重要意义。

1 Echotrac MKIII双频单波束测深仪

西部高原湖泊属于山区性湖泊，湖区地形复杂，水深变化较大，在选用测深仪时应考虑指向角及输出功率等影响因素。选用较小指向角可提高复杂地形水深测量精度，输出功率较大的测深仪能有效收集大水深下的回声信号。2011～2015年，长江水利委员会水文局在测量青海湖、羊卓雍错、扎日南木错、塔若错、当惹雍错和色林错等多个高原湖泊时，综合分析测深仪指向角、工作频率、测深范围及精度等主要性能因素后，选用了Echotrac MKIII双频单波束测深仪，取得了可靠的观测成果。鉴于该测深仪既能满足高原湖泊水深测量要求，又能实现无纸化测深，已经成为高原湖泊水深测量的主要仪器。

1.1 测深原理

测深仪可分为单波束测深仪和多波束测深仪。Echotrac MKIII是一种双频单波束测深仪，其工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物反射回换能器时，根据声波往返的时间和声波在水域中的传播速度，求得障碍物与换能器之间的距离。如图1所示，设传播时间为T，则换能器表面至水底的距离(水深)计算公式为

H=CT/2

(1)

式中，H为测量水深，即换能器表面至水底的距离加上换能器的吃水深度，m；C为声波在水中传播的速度，m/s；T为声波发射经水底反射至被接受所需要的时间，s。

1.2 主要性能指标

Echotrac MKIII双频测深仪采用专业级别的回声记录器、数字化处理器、收发机、多功能处理器以及两个专用数字信息处理器，协同进行各项特定的分析，即使在复杂的海洋环境下也能有效、实时地精确测量。该测深仪配备有高分辨率热敏纸记录仪和全尺寸的高亮度彩色液晶显示屏，既适合浅滩作业也适合深水操作，其主要性能指标见表1。

表1 Echotrac MKIII测深仪主要性能指标

2 无纸化测深技术优势分析

2.1 回声纸记录水深误差分析

图2为某测深仪回声记录纸扫描图。测深仪在水深测量过程中打印回波模拟信号时，可能产生的误差包括机械误差、打印延时响应误差、纸面水深分辩率误差以及回声纸存放后产生的模糊效应误差等。

图2 测深仪回声记录纸扫描

(1)机械误差是指由于打印设备的走纸不均匀、打印错位、打印漏墨等产生的误差。

(2)打印延时响应误差是指当计算机水深定标与定标打印纸速不同步时产生的误差，特别是当船速较快时更为明显，通常出现掉标情况。

(3)纸面水深分辨率误差是指由于纸的幅面大小影响导致水深分辨率较小而产生的人工水深判读误差，水深越大判读误差就越大。

(4)回声纸存放误差是指因回声纸存放时间较长或存放环境较差而导致回波模拟记录变模糊甚至消失等，特别是对于热敏打印纸必须避光保存[2]。

采用人工方式在回声记录纸进行水深数据量取及校对时，以上误差均可能会直接导致水深测量精度降低。

2.2 数字图像存储水深数据优势

无纸化测深技术主要是由测深仪将测深回波模拟信号转换为数字信号，再通过计算机将数字信号转换为图像方式存储。图3为Echotrac MKIII 双频测深仪的回声记录数字图像。

图3 MKIII双频测深仪回声记录数字图像

在高原湖泊测量中采用无纸化测深技术具有明显的优势，主要表现在以下两个方面。

(1)测深仪的回波模拟信号记录采用数字图像文件储存方式，水深测量的原始电子回声记录可长久保存，克服了纸质回声记录需避光保存，且长时间存放后会模糊不清等缺点。

(2)测深仪的水深回波记录是通过数据线与计算机连接并直接储存在计算机储存介质上，避免了测深仪打印设备存在的机械误差、打印延时响应误差等对水深测量精度的影响，可有效保证水深测量精度。

2.3 无纸化测深水深数据量校优势

目前，无纸化测深电子水深数据量校分析一般采用Hypack综合导航软件。Hypack综合导航系统是美国Coastal海洋图像公司为航道测量设计的专业导航软件，在海底地形地貌测量、航道疏浚测量和土方量计算、水库与河道的水下地形测量(包括数据处理)等方面应用广泛。Hypack软件具备导航定位、数据处理(水深数据编辑、潮位改正、声速改正等)、Tin模型生成、延迟测试等多种功能。通过Hypack软件采用人机交互方式进行无纸化测深电子水深数据量校分析具有明显的优势，主要表现在以下两个方面。

(1)水深特征点插补和错误水深值修正非常方便，并能实时自动提取插补点位的准确平面坐标。采用Hypack软件调入原始水下测量断面数据(log文件)前，应先选定一典型断面的往返测量数据，通过软件自带的延迟测试功能进行GNSS延时改正综合系数求取，然后设置最终延时偏移和滤波参数等，滤波参数主要包括GPS模式、最少卫星颗数、最大对地速度等。所有参数设置完成后，进入单波束数据编辑状态。首先对当前测线进行滤波，滤波后回声记录窗口仅显示当前测线事件点信息，再根据回声记录窗口进行水深特征点(转折点、深泓点等)插补和错误水深值修正。对水深特征点插补时，通过计算机键盘左右键控制，首先在回声记录窗口中调至要插入位置，然后在断面窗口界面恢复事件点信息后即可完成水深特征点插补，软件还能同时自动提取插补点位的准确平面坐标。该软件在高原湖泊测量1∶50 000比例尺测图中尤为重要，点距达400 m时仍可保证插补到断面特征点。水深特征点插补见图4。对错误水深值修正(见图5)时，将定义点光标放置错误水深点上，根据右侧信号强度标识，点击鼠标左键拉至信号强度入门处即可，十分快速高效。

图4 水深特征点插补

图5 错误水深值修正

(2)水深量校精度和效率较传统纸质回声人工判读水深有大幅提高。通过Hypack软件进行水深数据量取及校对工作，一是可以避免人工判读可能产生的水深数据误差，较大地提高了水深量取精度；二是通过人机交互方式判读水深可使水深量校效率提高80%以上，尤其有利于高原严重缺氧条件下的湖泊水深测量。

3 无纸化测深技术关键工序控制

无纸化测深技术在高原湖泊测量中应注意以下关键工序。

(1)测深仪换能器安装时，应尽量保持测船航行状态下换能器安装轴线与水面垂直，以保证水深测量精度；

(2)测前应根据湖区水深值变化情况合理设置测深仪量程，既要保证不漏测最大水深，又要有合理的电子回声幅面；

(3)测量过程中应根据水深变化调整测深仪输出功率、增益等关键参数，以保证电子回声记录清晰且连续；

(4)采用专业软件人机交互判读水深时，应按需要放大电子回声幅面，并根据电子回声记录右侧信号强度标识，以确保量校水深准确。

4 测量实例

2011年，无纸化测深技术首次在青海湖测量中运用。青海湖面积超过4 000 km2，水深测量数据量大。如果采用传统纸质回声，水深人工量校工作量巨大，将严重影响测量工作进展。采用无纸化测深技术后，通过需要专业软件人机交互方式量校水深，通常需要1 d的水深数量校工作只要不到2 h即可完成，大大提高了工作效率，为按时完成青海湖测量工作提供了有效技术保障。

2011～2015年，无纸化测深技术相继在青海湖、羊卓雍错、扎日南木错、塔若错、当惹雍错和色林错等多个西部重要高原湖泊中得到成功运用并取得了良好效果。特别是在2015年，该技术在当惹雍错的测深工作中发挥了重要作用。当惹雍错湖面积近900 km2，最大水深超过200 m。实测得到了可靠的湖区大水深测量数据，为湖泊容积量算提供了高精度的基础数据。

5 结 语

无纸化测深技术是今后测深仪发展的主要方向之一，引进和开发无纸化测深技术可有效保证水深测量精度和提高水深量校效率。在测量条件恶劣的西部高原湖泊测量中应用无纸化测深技术，对保证湖泊容积量算的准确性更具重要意义。该技术的开发与运用契合测绘工作信息化和无纸化的发展趋势，对类似测量项目有着较为广泛的借鉴价值，也为今后的西部高原湖泊测量工作提供了技术参考。