界河航道测量关键技术分析

李亚东，李 韬

（中交（天津）生态环保设计研究院有限公司，天津 300202）

引言

航道测量，是指对通航水域进行的测绘工作。包括通航河道全部河床范围内的水下、水上地形与地物和两岸范围内的地物标志测量、水流观测、航行障碍物及限航物的测量以及资料整理和航道图绘制等工作[1-2]。航道测量需要分别进行地形、水深和水文测量，地形测量常用 RTKGPS、无人机航空摄影测量等方法进行；水深测量常用单波束的方式进行；水文观测常用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、自给式水位计的方式进行。本文以图们江界河航道测量工程为例，分别就地形、水深、水文测量的数据获取、处理方法的关键技术环节进行分析，最终分别生成满足技术要求高程地形图和水深地形图，为航道的模型设计与研究提供数据依据。

1 研究区概况

图们江位于吉林省东南边境，是中、朝、俄三国国际河流，全长520 km，从发源地至防川“土”字牌505 km 为中朝界河，防川“土”字牌至入海口15 km 为朝俄界河。本次航道测量区域为圈河公路桥至防川土字牌段26 km 航道测量。

2 航道测量关键技术

2.1 地形测量

首先根据已有控制点进行坐标转换求取转换参数，以转换分区求取WGS 84 坐标系至 2000 国家大地坐标和1985 国家高程基准的转换参数。坐标转换精度直接影响到最终成果的精度，依照《水运工程测量规范》，转换结果平面、高程最大残差均不大于±50 mm[3]。

地形测量常用全站仪、RTK-GPS、无人机航空摄影测量等方法进行。但是本区域位于边境地区，无RTK 网络信号、军事管制限制无人机活动，综合考虑最终采用架设基站的RTK 作业模式。外业测量采用RTK-GPS 和多平台激光雷达测量系统配合的方式进行外业地形数据采集，两岸地形和江心沙滩主要采用激光雷达测量系统进行数据采集，中方地形扫描不能覆盖的地区利用RTK-GPS 进行数据采集，见图1。

图1 地形外业测量

采用RTK 作业模式时，每次设站，首先在图根控制点上架设基站，然后流动站到附近已知点上进行校核，并填写 RTK-GPS 定位比对表和全站仪比对记录表，其平面坐标互差不大于 50 mm，高程互差不大于30 mm。

本次采用华测AS-900HL 多平台激光雷达测量系统，见表1。该系统集成了各类高性能的传感器，如高精度、长测程的激光扫描仪，高精度光纤惯导系统，极简的轻量化设计，适合飞行和车载船载平台的操控。为确保激光GNSS 系统定位准确要求GNSS 基站覆盖半径为10 km。河道要素采集，采用AS-900HL 移动测量系统，扫描范围在河道两侧及附属地物，使用Copre 软件进行点云数据解算，主要包含差分GPS 处理、轨迹文件解算、点云数据输出和点云坐标转换；使用MappingFactory 软件进行数据采集编辑工作，并按照数据要求进行图幅输出。

表1 AS-900HL 多平台激光雷达测量系统主要参数

2.2 水深测量

水深测量采用RTK-GPS 与单波束测深仪配合进行 RTK 三维水深测量的方式进行，一般水深的河道采用测船作业[4]，在普通测船难以到达的浅水区，使用RTK-GPS 配合测深杆由人工直接测量河底高程。

为反映水深变化趋势，单波束测量时主测线垂直于河道走向布设。主测线间距按《水运工程测量规范》规定进行设计。同一作业组不同时期的相邻测深段布设不少于2 条重合测深线。按照垂直于主测线方向布设若干检查线，检查线长度不小于主测线长度的5 %。

采用RTK-GPS 进行三维水深测量的定位，RTK-GPS 天线直接固定于测深仪换能器支撑杆上，在测量过程中，能够实时获取GNSS 天线相位中心的准确平面位置和高程。量取换能器至天线相位中心距离（天线高），即可实现与平面定位同步实时获取换能器位置高程，同时获得厘米级的平面、高程定位精度。可以避免测量船舶动吃水和潮位变化对测量结果的影响。

在控制点架设RTK-GPS 差分基准站，测量船舶GNSS 流动站通过无线电接收来自基准站的差分数据。采用海鹰Y1600 测深仪和 Hypack 水道测量软件进行水深测量的导航与测深数据采集，见图2。软件的导航界面可实时显示正在施测的测线、船舶偏离测线的距离，供测船驾驶员随时修正航向，保证测船沿测线航行。信息显示窗口能随时显示各种导航参数（X、Y 坐标、船速度、船艏向、记录状态、文件名、时间、测线方向、纬度、经度、偏移距、水深等）。测深过程中，技术人员时刻注意测深仪工作是否正常、测深仪数据采状况是否良好、测深纸上的回波信号是否清晰、吃水线是否漂移等情况，保证测深仪在稳定状态下工作。

图2 使用Hypack 软件进行数据采集

外业获得的数据进行处理，见图3。对所采集的定位数据、测深数据，结合外业观测记录检查声速、坐标系统参数等是否设置正确。其次对数据进行筛选、声速改正，对测深测量过程中受波浪等影响的一些数据进行剔除，对问题数据及时进行修正保证最终获取到真实的水下地形数据。最终输出 XYZ 格式的水深数据或南方CASS 的dat 格式数据，供内业成图时使用。

图3 Hypack 软件进行数据处理

水深测量质量分析，项目使用RTK-GPS 进行三维水深测量的定位，RTK-GPS 天线直接固定在测深仪换能器支撑杆上，定位与测深中心重合，在固定解状态下其动态水平测量精度可以达到厘米级，因此水深测量精度主要受测深影响。本项目测区水深基本都小于20 m，水深测量深度误差限差为±0.2 m。该段 1：2000 测深中误差为±0.1m，水深测量成果满足规范要求。

2.3 水文测量

1）水位观测

本段航道共布置基本水尺15 把，其中水尺1与圈河水文站水尺位于同一位置。设置基本水尺的同时埋设工作水准点，其高程从最近的水准点引测而来[5]。自2020 年6 月至7 月对15 把基本水尺进行同步水位观测。水位观测使用 KELLER DCX-22 型自容式自动水位计，观测间隔30 min，全天观测。

2）表面流速观测

表面流速、流向观测采用GPS 浮标法进行，外业连续记录原始数据后期采用PPK 技术解算数据。浮标制作：以泡沫式救生圈为浮标主体，安装GNSS 接收机进行数据采集。数据采集，观测时风力不超过三级，同一河段各测次所用浮标规格相同，入水深度不大于水深的1/10。浮标采用PPK-GPS 定位，定位点间距不超过图上±30 mm，并记录定位时间。

内业采用EXCEL 进行数据处理生成scr 语句，基本以自动计算为主，对于部分不合理的数据进行少量人工调整。流速、流向成果整理时，编制计算书、绘制流速、流向图，并列表注明施测日期、历时、气象等信息。

3）断面流量观测

断面流量观测共布设10 个断面，断面流量观测采用美国RDI 公司的ADCP 多普勒流速仪，将仪器固定于船舷，仪器吃水设置为0.05 m，分层为0.5 m。每个断面往返观测，当往返测量流量结果超限时，重新观测，直到观测结果符合规范要求为止，断面流量观测资料以报表形式提供。

4）比降测量

水位比降观测采用RTK-GPS 测量方法在枯水期浅滩位置进行，使用RTK 测量比降点的平面位置和水位。比降观测位置、数量、间距和观测时间等均满足实际需要，同一测区的比降同步观测。

计算水面比降时，按照以下公式进行：

式中：

Is——为纵比降（%），

Gu、Gd——为上下游水尺的水位（m），

L——上下游相邻水尺间按流程计算的距离（m），数据处理结束后，编制比降成果表。

2.4 成图编绘

地形图编绘主要是对所获取的地形、水深、水文多种数据进行整合，按照相应的地物属性统一表达在一张地形图上，主要包括地物特征点的勾绘，等高线、等深线的绘制，水文数据的标识，最终按照规范自下游至上游生成单幅的地形图。

对于高程图按照所获取的数据直接编绘。水深图的数据处理需要先收集资料确定基本水文站的最低通航设计水位，基本水尺绘图水位通过与邻近基本水位站同步观测的水位数据采用水位相关法计算求得。基本流程见图4 所示。

图4 绘图水位基准面推求总体工作思路

各细部点绘图水位数值按照上下游基本水尺瞬时水位、设计水位，采用落差内插法通过下式计算：

式中：

Z——细部点的设计水面线；

ZX——细部点的瞬时水位；

Z上、Z下——上下游基本水尺的瞬时水位；

△Z上、△Z下——上下游基本水尺的瞬时水位与航行基准面的差。

最终由计算得到的绘图水位基面数据和外业所测的高程格式的数据文件，根据我院编制的RiverLever 数据转换软件把高程数据归算到绘图水位面上生成水深数据文件，见图5。展点到南方Cass 中，勾绘等深线、等高线等，生成水深格式的地形图。

图5 高程数据归算到绘图基准面上

3 结语

航道测量是一项多专业综合性强的项目工作，通常包括地形测量、水深测量、水文测量、通航设计水位计算以及高程地形图和水深地形图绘制等工作，界河航道测量因其特殊的条件需要根据实际情况选用合适的测量方法。

地形测量常用的有全站仪、RTK、无人机航空摄影测量等方法，但在界河边境地区结合实际情况采用架设基站、流动站的RTK 作业模式，配合激光雷达测量系统采集困难地区的数据工作，结果表明，数据可靠，作业效率高。

水深测量采用RTK 三维水深测量的作业方法，利用RTK 采集高精度的固定解坐标，获取厘米级的实时三维坐标数据传送至测深仪，可以有效消除动吃水和潮位变化对水深测量结果的影响，在内河航道测量时值得推广。

水文测量选用合适的作业方法分别对水位数据、表面流速数据、比降数据、断面流量数据进行采集，本文选用的方法具有普适性，在其他类似项目中值得参考。

数据处理是航道测量的一项重要工作，外业采集的数据通常为1985 高程基准下数据，如何转化为水深数据值得研究，通常需要先确定最低通航设计水位，推求最低通航设计基准面，把85 高程下的高程数据归算到基准面上的水深数据，借助自主开发的软件可以快速实现高程数据向设计基准面下的水深数据归算。