水下地形測量方法及實(shí)踐研究

水下地形測量方法及實(shí)踐研究

摘要：水下地形測量有利于港口建設(shè)、航運(yùn)安全、水資源開發(fā)等方面，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，測量技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步，尤其是基于GPS水下地形測量技術(shù)較為普及。本文闡述了GPS水下地形測量的基本原理和測量設(shè)備組成,并通過工程實(shí)踐分析給出了符合性的結(jié)論。關(guān)鍵詞：水下地形測量；GPS；實(shí)踐分析；水下地形測量是一種重要的測繪工作，在橋梁、水庫、碼頭、港口等施工建設(shè)中水下地形測量有著很大的作用，它的主要工作內(nèi)容是測量江河湖海以及近海水底點(diǎn)的平面位置以及相應(yīng)的高程，以便繪制水下地形圖，是現(xiàn)代水利工程中的一項(xiàng)重要工程技術(shù)。根據(jù)國際國家相關(guān)的測深標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布點(diǎn)測深，通過相應(yīng)的軟件形成水下地形圖?？梢愿鶕?jù)不同條件和情況選擇合適的方式進(jìn)行水下地形的測量工作。1.水深測量的方法1.1人工測量在水下地形測量中，最早的測深工具是測深桿和測深錘。盡管現(xiàn)在的測深設(shè)備主要是測深聲吶，但在在水草密集的區(qū)域，或者極淺灘涂等聲吶設(shè)備無法工作的地方，這些原始的測深工具仍然在發(fā)揮作用。在水的流速較緩且水深小于5m的水區(qū)可以使用測深桿。每隔10cm就在測深桿上進(jìn)行標(biāo)記，能夠方便準(zhǔn)確的讀取水深數(shù)值。雖然現(xiàn)在已經(jīng)很少用測深桿進(jìn)行水深測量，但在水域很淺的地方，在現(xiàn)代化設(shè)備無法完成的區(qū)域，我們使用測深桿會有很好的效果。測深錘的規(guī)格有3.5kg、5kg、12.7kg，當(dāng)水流較快，水深較大時(shí)可以使用用5kg以上的測深錘。同樣的，為了能夠便捷準(zhǔn)確的讀取水深數(shù)值，測深錘需要和測深桿一樣在繩索上做間隔10cm的標(biāo)記。測深錘的測深過程是將測深錘垂直的放入水中，然后具有豐富現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的操作人員再讀取繩索和水面交會的數(shù)值，操作人員的熟練程度對準(zhǔn)確測量有很大的影響。測深桿、測深錘等機(jī)械式測深儀器的特點(diǎn)是直接量出水底與水面之間的距離，方法簡單直接，但隨著深度加大，觀測難以實(shí)施，測深精度也難以保證，原因有：(1)測深桿因水下水流的作用難以保持豎直；(2)難以判斷繩索準(zhǔn)確達(dá)到海底；(3)測深錘的繩索變形。由于這些自身的缺點(diǎn)，導(dǎo)致在現(xiàn)代水下地形測量中，傳統(tǒng)的人工測量逐漸被淘汰，盡管如此，在水草密集的區(qū)域，或者極淺灘涂等現(xiàn)代化設(shè)備無法工作的地方，這些原始的測深工具仍然在發(fā)揮作用。1.2聲吶測量聲吶測量是根據(jù)超聲波在均勻介質(zhì)中以均勻速度傳播并在不同介質(zhì)界面反射的原理，選擇對水的穿透能力最佳、頻率在1500赫茲附近的超聲波，向水底發(fā)射聲波并且記錄聲波發(fā)出和返回的時(shí)間間隔，通過特定算法得到水深數(shù)據(jù)。在水深測量和航海領(lǐng)域中聲吶測量儀獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著電子工業(yè)的發(fā)展與集成電路技術(shù)的應(yīng)用，測深技術(shù)不斷得到改進(jìn)，測深儀從模擬信號處理發(fā)展到數(shù)字信號處理，極大地提高了水深測量的精度和效率。測深聲吶分為單波束測深聲吶和多波束測深聲吶，在水下地形測量領(lǐng)域中，都得到了有效并廣泛的應(yīng)用和普及。1.2.1單波束測深聲吶單波束測深聲吶是目前水下地形測量領(lǐng)域中常用的儀器。單波束測深聲吶每反射和接收一次，記錄一個(gè)點(diǎn)，連續(xù)測深時(shí)，各記錄點(diǎn)連接為一條曲線，這就是所測水深的模擬記錄?，F(xiàn)代的測深儀在定位的瞬時(shí)，不但可以在測深記錄紙上打出定位線，而且可以打印測深的時(shí)間、深點(diǎn)號和所測水深。除了模擬記錄外，數(shù)字式測深儀還可將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時(shí)記錄所測點(diǎn)的水深值[1]。傳統(tǒng)的單波束測深聲吶只能測量船正下方的水深，為了獲得令人滿意的水下地形，通常設(shè)置一些平行的測線。即使布設(shè)很密的測線仍不能保證對水下的全覆蓋，測線之間的水下地形，特別是一些孤立的特征地形很容易被漏測。因此，多波束測深聲吶應(yīng)運(yùn)而生。1.2.2多波束測深聲吶由于多波束測深聲吶系統(tǒng)與常規(guī)單波束測深聲吶系統(tǒng)相比，具有全覆蓋、無遺漏的優(yōu)勢，在精度、分辨率與水下地形成象質(zhì)量上有大幅度的提高，改變了傳統(tǒng)的水下地形測量技術(shù)按比例尺作業(yè)的模式，該系統(tǒng)正在為海洋和內(nèi)河測繪帶來一次技術(shù)革命，在江河、水庫、湖泊、海洋水下地形測繪，堤防護(hù)岸，港口、大壩監(jiān)測，海底電纜、管線、隧道以及沉船、水下物體打撈搜尋等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2機(jī)載激光測深激光雷達(dá)分為陸地和機(jī)載兩個(gè)種類，針對水下地形測量我們需要用到機(jī)載激光雷達(dá)。機(jī)載激光測深是基于激光雷達(dá)測量的一種測深方法，是一種集激光測距技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、GPS差分技術(shù)三種技術(shù)于一體的系統(tǒng)，有效準(zhǔn)確地獲得數(shù)字高程模型。機(jī)載激光雷達(dá)是的優(yōu)勢在于快速獲取，可以用于大面積、海岸線、船只無法進(jìn)入的區(qū)域等場所。由于激光的特性，對于水質(zhì)的要求很高，水質(zhì)渾濁的區(qū)域無法使用激光雷達(dá)，這也成為它的重大缺陷。激光雷達(dá)測深的原理是從飛機(jī)腹部向水面垂直發(fā)射激光，一般發(fā)射特定波長的兩種激光，分別為紅色激光和綠色激光，紅色激光光束由于理化特性照到水面會被反射，綠色激光光束則會照射到水里，直至到達(dá)水底再被反射出來，飛機(jī)上的激光接收器會計(jì)算兩束光接收的時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差的一半就等于綠色激光從水面到水底的傳播時(shí)間，根據(jù)光的傳播速度和傳播時(shí)間即可求得水深。機(jī)載激光雷達(dá)測深系統(tǒng)的可以探測50米左右的水深，精度能夠保持在0.3米左右。2.水下地形測量方式選擇目前主流的水下地形測量方式為GPS-RTK定位系統(tǒng)結(jié)合多波束測深聲吶借助強(qiáng)大的數(shù)據(jù)圖形分析軟件進(jìn)行水下地形測量?；贕PS-RTK的多波束測深系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它主要分為三個(gè)系統(tǒng)：①聲學(xué)系統(tǒng)：包括多波束換能器陣、多波束信號處理系統(tǒng)；②功能設(shè)備：提供平面坐標(biāo)的GPS-RTK衛(wèi)星定位系統(tǒng)、用以提供測量船橫搖、縱搖、艏向、升沉等姿態(tài)數(shù)據(jù)的姿態(tài)傳感器、用以提供所測海區(qū)潮位數(shù)據(jù)的驗(yàn)潮儀、用以提供所測海區(qū)聲速剖面信息的聲速剖面儀等；③儲存及顯示設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件及其它相關(guān)軟件[2]。受到波浪、潮汐的影響在進(jìn)行水面深度測量時(shí)，水深數(shù)據(jù)需要經(jīng)過換能器涌浪、吃水、水位、聲速等校正才能得到相對于某一深度基準(zhǔn)面的水深，無論是單波束還是多波束等測深方式，只要使用傳統(tǒng)有驗(yàn)潮測量方式，這幾項(xiàng)的校正都影響到了水深測量的最終精度。近年來基于GPS-RTK技術(shù)提出了無驗(yàn)潮水深測量方式。無驗(yàn)潮無需人為進(jìn)行水位觀測，節(jié)約人工和觀測成本；有效地消除測量船只受波浪作用而上下浮動的影響;避免潮位觀測引起的水位校正誤差，并獲得即時(shí)水位[3]，如圖1。多波束測深系統(tǒng)在工作時(shí)，由GPS-RTK定位系統(tǒng)將將基準(zhǔn)站的載波相位差分值發(fā)給移動臺，改正移動臺接收到的載波相位，再解算移動臺的坐標(biāo)(X、Y、H)，平面(X、Y)的定位精度可以達(dá)到±2cm，高程H的測量精度可以達(dá)到±5cm，這樣的精度是非常高的，完全可以滿足大比例尺的測圖要求及工程上的應(yīng)用。圖1基于GPS-RTK的多波束測深儀無驗(yàn)潮測深原理ZP=Z+Z0-(H-h)Z—測深儀測出的水深；Z0—換能器吃水的深度；ZP—制圖水深；h—天線到水面的高度；H—GPS-RTK測得的相對深度基準(zhǔn)面的高程；H-h瞬間水面至深度基準(zhǔn)面的高度。3.工程實(shí)踐分析3.1工程測量本文選擇基于GPS-RTK的Sonic2022多波束測深系統(tǒng)在國內(nèi)某港航道水下地形測量中的應(yīng)用進(jìn)行分析和總結(jié)。該航道長約21公里，航道的寬度約260米，選擇1:2000比例尺進(jìn)行施測。工程測量使用航標(biāo)測量船，船長40m，船寬8.8m，吃水2m，動吃水0.06m。Sonic2022多波束測深系統(tǒng)按要求安裝在測量船指定位置上。工作前使用GPS-RTK測定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、利用聲速測試儀測量水域的聲速剖面曲線一同錄入到采集軟件系統(tǒng)中，在港口池里選擇平坦的以及地勢變化較大的區(qū)域分別設(shè)立一條平行的測線進(jìn)行多波束安裝校正，包括橫搖、縱搖以及艏搖等。工程測量時(shí)GPS-RTK多波束測深系統(tǒng)選擇100°掃寬，調(diào)入已定的網(wǎng)格和測線，運(yùn)行系統(tǒng)的各個(gè)儀器設(shè)備，當(dāng)航標(biāo)測量船進(jìn)入測量區(qū)域并沿著已定測線航行時(shí)，各個(gè)儀器設(shè)備開始實(shí)時(shí)采集測量數(shù)據(jù)，同時(shí)形成數(shù)據(jù)文件記錄保存在電腦里。數(shù)據(jù)采集由Qinsy軟件配合Qloud2.3數(shù)據(jù)采集軟件完成，本次掃測完成后，經(jīng)現(xiàn)場觀察及后期數(shù)據(jù)回放檢查，掃測范圍內(nèi)測線覆蓋良好，沒有出現(xiàn)空白區(qū)。后期圖形處理軟件采用HYPACK軟件，最后生成1:2000航道水下地形圖。3.2成果分析為了驗(yàn)證GPS-RTK多波束無驗(yàn)潮測深技術(shù)的高效性、準(zhǔn)確性及可靠性，采用四種方式進(jìn)行驗(yàn)證：(a)系統(tǒng)內(nèi)符合驗(yàn)證，(b)系統(tǒng)間平面定位精度誤差對比，(c)系統(tǒng)間水深測量精度誤差對比，(d)系統(tǒng)間工作效率對比。(a)系統(tǒng)內(nèi)符合驗(yàn)證測量過程前需布設(shè)多條交叉重疊的測線進(jìn)行水深測量，采用相對精度評估的方法，摘錄其中1958個(gè)重復(fù)測量點(diǎn)進(jìn)行誤差分析。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析本回測量有96%的測深值偏差小于0.1m，100%的測深偏差小于0.3m，符合國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)范要求。多波束測深重復(fù)測深點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示?？傸c(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)量單位：m0.0～0.050.05～0.10.1～0.3＞0.319581241639780(b)基于GPS-RTK多波束測深系統(tǒng)與全站儀平面坐標(biāo)定位誤差對比將本次GPS-RTK作業(yè)中的坐標(biāo)定位的結(jié)果與全站儀獲得的坐標(biāo)結(jié)果（已知）進(jìn)行比較（見表2），可知，GPS-RTK取得的坐標(biāo)點(diǎn)位，其精度可達(dá)厘米級,各點(diǎn)位之間不存在誤差積累，與全站儀取得結(jié)果符合度高,滿足水下地形測繪的要求。表2已知坐標(biāo)結(jié)果與GPS定位結(jié)果的對比點(diǎn)號已知結(jié)果定位結(jié)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多波束測深系統(tǒng)與HY1602雙頻測深系統(tǒng)間測量誤差對比在航道較平坦區(qū)的水下，采用雙頻單波束測深和GPS-RTK多波束無驗(yàn)潮測深兩種方法分別對同一片區(qū)域（測區(qū)范圍內(nèi)200m×500m范圍）進(jìn)行測量。將產(chǎn)生的兩組數(shù)據(jù)在HYPACK中進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)對比，如圖2所示。圖2Sonic2022多波束與HY1602雙頻測深儀對比圖其中，灰色數(shù)據(jù)點(diǎn)為Sonic多波束測得的水深數(shù)據(jù)，黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)為HY1602雙頻單波束測深儀測得的。從兩組原始數(shù)據(jù)中提取坐標(biāo)相近的60個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(XY相差不大于0.3m)，將他們的水深值進(jìn)行比較，對比結(jié)果的精度符合規(guī)范的要求，判定是合理的。多波束測深儀與單波束測深儀對比的結(jié)果見表3。表3多波束測深儀與雙頻測深儀的測深數(shù)據(jù)對比總點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)量單位:m0.0~0.050.05~0.10.1~0.3600.09630255(d)Sonic2022多波束測深系統(tǒng)與HY1602雙頻測深系統(tǒng)間工作效率對比在相對平坦的區(qū)域，選取測區(qū)800m×300m范圍，水深20m～50m之間，雙頻測深儀按照25m間距布設(shè)測線，可布設(shè)300m長測線30條，多波束測量布設(shè)測線寬度可以按照5倍的最低水深去設(shè)置，測線采集重復(fù)度按35%設(shè)定，可布設(shè)800m長的測線6條；使得測量船的船速保持在6節(jié)左右，則在這種工作條件下，多波束測深儀的單位面積測量時(shí)間為2.42h/km2，雙頻測深儀的單位面積測量時(shí)間為5.83h/km2，由此可知，同等背景條件下，多波束測深儀比雙頻單波束測深儀的工作效率要高。4.結(jié)論伴隨科技力量的進(jìn)步而日益成熟的GPS-RTK技術(shù)，給水下地形測量帶來了全新的革命，尤其是GPS-RTK無驗(yàn)潮技術(shù)與多波束測深系統(tǒng)的結(jié)合可以使得水深測量作業(yè)測量范圍更大、效率更高、精度更可靠。同時(shí)，減少了人工和設(shè)備成本，不要求通視條件，全天候作業(yè)的