水下地形测量方法及实践研究

水下地形测量方法及实践研究

摘要：水下地形测量有利于港口建设、航运安全、水资源开发等方面，随着我国经济的发展，测量技术也取得了很大的进步，尤其是基于GPS水下地形测量技术较为普及。本文阐述了GPS水下地形测量的基本原理和测量设备组成,并通过工程实践分析给出了符合性的结论。关键词：水下地形测量；GPS；实践分析；水下地形测量是一种重要的测绘工作，在桥梁、水库、码头、港口等施工建设中水下地形测量有着很大的作用，它的主要工作内容是测量江河湖海以及近海水底点的平面位置以及相应的高程，以便绘制水下地形图，是现代水利工程中的一项重要工程技术。根据国际国家相关的测深标准进行布点测深，通过相应的软件形成水下地形图。可以根据不同条件和情况选择合适的方式进行水下地形的测量工作。1.水深测量的方法1.1人工测量在水下地形测量中，最早的测深工具是测深杆和测深锤。尽管现在的测深设备主要是测深声呐，但在在水草密集的区域，或者极浅滩涂等声呐设备无法工作的地方，这些原始的测深工具仍然在发挥作用。在水的流速较缓且水深小于5m的水区可以使用测深杆。每隔10cm就在测深杆上进行标记，能够方便准确的读取水深数值。虽然现在已经很少用测深杆进行水深测量，但在水域很浅的地方，在现代化设备无法完成的区域，我们使用测深杆会有很好的效果。测深锤的规格有3.5kg、5kg、12.7kg，当水流较快，水深较大时可以使用用5kg以上的测深锤。同样的，为了能够便捷准确的读取水深数值，测深锤需要和测深杆一样在绳索上做间隔10cm的标记。测深锤的测深过程是将测深锤垂直的放入水中，然后具有丰富现场经验的操作人员再读取绳索和水面交会的数值，操作人员的熟练程度对准确测量有很大的影响。测深杆、测深锤等机械式测深仪器的特点是直接量出水底与水面之间的距离，方法简单直接，但随着深度加大，观测难以实施，测深精度也难以保证，原因有：(1)测深杆因水下水流的作用难以保持竖直；(2)难以判断绳索准确达到海底；(3)测深锤的绳索变形。由于这些自身的缺点，导致在现代水下地形测量中，传统的人工测量逐渐被淘汰，尽管如此，在水草密集的区域，或者极浅滩涂等现代化设备无法工作的地方，这些原始的测深工具仍然在发挥作用。1.2声呐测量声呐测量是根据超声波在均匀介质中以均匀速度传播并在不同介质界面反射的原理，选择对水的穿透能力最佳、频率在1500赫兹附近的超声波，向水底发射声波并且记录声波发出和返回的时间间隔，通过特定算法得到水深数据。在水深测量和航海领域中声呐测量仪获得了广泛的应用。随着电子工业的发展与集成电路技术的应用，测深技术不断得到改进，测深仪从模拟信号处理发展到数字信号处理，极大地提高了水深测量的精度和效率。测深声呐分为单波束测深声呐和多波束测深声呐，在水下地形测量领域中，都得到了有效并广泛的应用和普及。1.2.1单波束测深声呐单波束测深声呐是目前水下地形测量领域中常用的仪器。单波束测深声呐每反射和接收一次，记录一个点，连续测深时，各记录点连接为一条曲线，这就是所测水深的模拟记录。现代的测深仪在定位的瞬时，不但可以在测深记录纸上打出定位线，而且可以打印测深的时间、深点号和所测水深。除了模拟记录外，数字式测深仪还可将模拟信号转换成数字信号，同时记录所测点的水深值[1]。传统的单波束测深声呐只能测量船正下方的水深，为了获得令人满意的水下地形，通常设置一些平行的测线。即使布设很密的测线仍不能保证对水下的全覆盖，测线之间的水下地形，特别是一些孤立的特征地形很容易被漏测。因此，多波束测深声呐应运而生。1.2.2多波束测深声呐由于多波束测深声呐系统与常规单波束测深声呐系统相比，具有全覆盖、无遗漏的优势，在精度、分辨率与水下地形成象质量上有大幅度的提高，改变了传统的水下地形测量技术按比例尺作业的模式，该系统正在为海洋和内河测绘带来一次技术革命，在江河、水库、湖泊、海洋水下地形测绘，堤防护岸，港口、大坝监测，海底电缆、管线、隧道以及沉船、水下物体打捞搜寻等方面具有广阔的应用前景。1.2机载激光测深激光雷达分为陆地和机载两个种类，针对水下地形测量我们需要用到机载激光雷达。机载激光测深是基于激光雷达测量的一种测深方法，是一种集激光测距技术，计算机技术、GPS差分技术三种技术于一体的系统，有效准确地获得数字高程模型。机载激光雷达是的优势在于快速获取，可以用于大面积、海岸线、船只无法进入的区域等场所。由于激光的特性，对于水质的要求很高，水质浑浊的区域无法使用激光雷达，这也成为它的重大缺陷。激光雷达测深的原理是从飞机腹部向水面垂直发射激光，一般发射特定波长的两种激光，分别为红色激光和绿色激光，红色激光光束由于理化特性照到水面会被反射，绿色激光光束则会照射到水里，直至到达水底再被反射出来，飞机上的激光接收器会计算两束光接收的时间差，这个时间差的一半就等于绿色激光从水面到水底的传播时间，根据光的传播速度和传播时间即可求得水深。机载激光雷达测深系统的可以探测50米左右的水深，精度能够保持在0.3米左右。2.水下地形测量方式选择目前主流的水下地形测量方式为GPS-RTK定位系统结合多波束测深声呐借助强大的数据图形分析软件进行水下地形测量。基于GPS-RTK的多波束测深系统是一个复杂的系统，它主要分为三个系统：①声学系统：包括多波束换能器阵、多波束信号处理系统；②功能设备：提供平面坐标的GPS-RTK卫星定位系统、用以提供测量船横摇、纵摇、艏向、升沉等姿态数据的姿态传感器、用以提供所测海区潮位数据的验潮仪、用以提供所测海区声速剖面信息的声速剖面仪等；③储存及显示设备、数据处理软件及其它相关软件[2]。受到波浪、潮汐的影响在进行水面深度测量时，水深数据需要经过换能器涌浪、吃水、水位、声速等校正才能得到相对于某一深度基准面的水深，无论是单波束还是多波束等测深方式，只要使用传统有验潮测量方式，这几项的校正都影响到了水深测量的最终精度。近年来基于GPS-RTK技术提出了无验潮水深测量方式。无验潮无需人为进行水位观测，节约人工和观测成本；有效地消除测量船只受波浪作用而上下浮动的影响;避免潮位观测引起的水位校正误差，并获得即时水位[3]，如图1。多波束测深系统在工作时，由GPS-RTK定位系统将将基准站的载波相位差分值发给移动台，改正移动台接收到的载波相位，再解算移动台的坐标(X、Y、H)，平面(X、Y)的定位精度可以达到±2cm，高程H的测量精度可以达到±5cm，这样的精度是非常高的，完全可以满足大比例尺的测图要求及工程上的应用。图1基于GPS-RTK的多波束测深仪无验潮测深原理ZP=Z+Z0-(H-h)Z—测深仪测出的水深；Z0—换能器吃水的深度；ZP—制图水深；h—天线到水面的高度；H—GPS-RTK测得的相对深度基准面的高程；H-h瞬间水面至深度基准面的高度。3.工程实践分析3.1工程测量本文选择基于GPS-RTK的Sonic2022多波束测深系统在国内某港航道水下地形测量中的应用进行分析和总结。该航道长约21公里，航道的宽度约260米，选择1:2000比例尺进行施测。工程测量使用航标测量船，船长40m，船宽8.8m，吃水2m，动吃水0.06m。Sonic2022多波束测深系统按要求安装在测量船指定位置上。工作前使用GPS-RTK测定坐标转换参数、利用声速测试仪测量水域的声速剖面曲线一同录入到采集软件系统中，在港口池里选择平坦的以及地势变化较大的区域分别设立一条平行的测线进行多波束安装校正，包括横摇、纵摇以及艏摇等。工程测量时GPS-RTK多波束测深系统选择100°扫宽，调入已定的网格和测线，运行系统的各个仪器设备，当航标测量船进入测量区域并沿着已定测线航行时，各个仪器设备开始实时采集测量数据，同时形成数据文件记录保存在电脑里。数据采集由Qinsy软件配合Qloud2.3数据采集软件完成，本次扫测完成后，经现场观察及后期数据回放检查，扫测范围内测线覆盖良好，没有出现空白区。后期图形处理软件采用HYPACK软件，最后生成1:2000航道水下地形图。3.2成果分析为了验证GPS-RTK多波束无验潮测深技术的高效性、准确性及可靠性，采用四种方式进行验证：(a)系统内符合验证，(b)系统间平面定位精度误差对比，(c)系统间水深测量精度误差对比，(d)系统间工作效率对比。(a)系统内符合验证测量过程前需布设多条交叉重叠的测线进行水深测量，采用相对精度评估的方法，摘录其中1958个重复测量点进行误差分析。经过统计分析本回测量有96%的测深值偏差小于0.1m，100%的测深偏差小于0.3m，符合国家标准及相关规范要求。多波束测深重复测深点的统计结果如表1所示。总点数统计量单位：m0.0～0.050.05～0.10.1～0.3＞0.319581241639780(b)基于GPS-RTK多波束测深系统与全站仪平面坐标定位误差对比将本次GPS-RTK作业中的坐标定位的结果与全站仪获得的坐标结果（已知）进行比较（见表2），可知，GPS-RTK取得的坐标点位，其精度可达厘米级,各点位之间不存在误差积累，与全站仪取得结果符合度高,满足水下地形测绘的要求。表2已知坐标结果与GPS定位结果的对比点号已知结果定位结果差值XYHX'Y'H'ΔXΔYΔH16758.66321.797.8316758.675321.8007.853-0.015-0.010-0.02226563.10826.386.9566563.113826.3766.965-0.0130.004-0.00935852.031320.506.4735852.0161320.4836.4950.0140.017-0.02245317.152097.386.3545317.1902097.3586.389-0.0400.022-0.03554655.327979.364.2574655.2957979.3824.2370.025-0.0220.0206887.433929.566.388887.3783929.6236.3620.052-0.0630.0267696.683401.636.331696.7623401.6056.297-0.0820.0250.03481349.023773.267.2221349.0483773.2567.206-0.0280.0040.016(c)Sonic2022多波束测深系统与HY1602双频测深系统间测量误差对比在航道较平坦区的水下，采用双频单波束测深和GPS-RTK多波束无验潮测深两种方法分别对同一片区域（测区范围内200m×500m范围）进行测量。将产生的两组数据在HYPACK中进行点对点对比，如图2所示。图2Sonic2022多波束与HY1602双频测深仪对比图其中，灰色数据点为Sonic多波束测得的水深数据，黑色数据点为HY1602双频单波束测深仪测得的。从两组原始数据中提取坐标相近的60个数据点(XY相差不大于0.3m)，将他们的水深值进行比较，对比结果的精度符合规范的要求，判定是合理的。多波束测深仪与单波束测深仪对比的结果见表3。表3多波束测深仪与双频测深仪的测深数据对比总点数标准差统计量单位:m0.0~0.050.05~0.10.1~0.3600.09630255(d)Sonic2022多波束测深系统与HY1602双频测深系统间工作效率对比在相对平坦的区域，选取测区800m×300m范围，水深20m～50m之间，双频测深仪按照25m间距布设测线，可布设300m长测线30条，多波束测量布设测线宽度可以按照5倍的最低水深去设置，测线采集重复度按35%设定，可布设800m长的测线6条；使得测量船的船速保持在6节左右，则在这种工作条件下，多波束测深仪的单位面积测量时间为2.42h/km2，双频测深仪的单位面积测量时间为5.83h/km2，由此可知，同等背景条件下，多波束测深仪比双频单波束测深仪的工作效率要高。4.结论伴随科技力量的进步而日益成熟的GPS-RTK技术，给水下地形测量带来了全新的革命，尤其是GPS-RTK无验潮技术与多波束测深系统的结合可以使得水深测量作业测量范围更大、效率更高、精度更可靠。同时，减少了人工和设备成本，不要求通视条件，全天候作业的