浅析水下工程测量技术

浅析水下工程测量技术

梁鹏

广州国测规划信息技术有限公司到510500

摘要：随着时代的飞速发展，水下测量技术从传统的测绘技术发展到数字化测绘时代。摘要结合水利工程测量的生产实践，总结水下测量的经验，简要介绍现代水下测量的方法，以指导水利工程测量的生产实践。

关键词：水下测量；GPS；测深仪

一、概述

水下地形作为测绘科学技术的重要组成部分，是航道测量、河湖测量的主要内容。GFS定位技术、声学测量技术和计算机技术的发展,水下地形测绘技术从传统的光学定位、单波束测深,手工数据处理和映射,结果一个时代的GPS定位,使用各种测深方法,数据处理和绘图自动化,各种各样的新时代。多年来，笔者参考相关规定，结合自己的工作实践，积累了一定的水下测量经验。

二、传统测量方法水下地形测量最基本的工作是定位和测深

定位工作是水下地形测量的基础。无论是测量地球的某一几何量还是物理量，都必须把这些量固定在某一种坐标系统相应的格网中，否则是毫无意义的。传统水下地形测量的载体为测量船。根据测量船离陆地的远近和定位精度的要求可采用不同的定位方法。

2.1经纬仪相交法两经纬仪同时开始测量深度，用手测量的方法将测深锤或测杆放下。定位方法可用于前交会、后交会、侧交会和极距法。水下地形测量的原理和计算方法与陆地测量方法基本一致。在工作过程中，要求站、船、深紧密配合，通过对讲机相互沟通，共同完成测量任务。由于移动载体的定位，定位精度没有地面测量精度高，读数也容易出现误差。该方法适用于不需要测距仪或全站仪的任务，适用于低流速和基面变化。

2.2横断面法首先，在两岸布置大体相互平行的测深断面，其两端点按图根点精度施测。测深时，在断面的一端安放经纬仪、测距仪或全站仪。仪器前视另一端点，时刻注视并指挥测船方向；测距仪或全站仪跟踪测距，根据比例尺不同，当点距差不多时，测站命令测船停船、测深，同时测出距离或坐标，各项记录后，进行下一个地形点。如此反复完成测深任务。该方法适用于水面较窄的水域，遇到地形变化时，先试着测深后定位，能够比较准确地测出地形变化的特征点。

2.3散点法水域面积较小、较窄的测区，或水陆交接处，宜采用该方法来完成测量任务。施测时，如果水较浅，可以采用直接立镜，如果水较深时，可以借用测船在船上立镜，确定其位置，同时量出立尺点到水底的距离，即可得出其高程。

2.4简易断面索法本方法适用于水面宽小于50m，且无水草的小水域。施测时，首先确定两个端点的位置和高程（在横断面测量或地形测量中，分别测到两个水边并做一标记志），然后两人各立一端，拉紧断面索，由一岸开始，一人放，一人收而移动绳索。测点时，两人应适当松索，让测深锤自然下降，估计到底时（此时竖直的测深绳刚好不弯曲），根据测深绳上的标志读取水深，距离根据岸上测绳的移动读取。人工河道比较规则，可根据实际情况选择部分断面测量，以便“摸”出水底变化情况，找出特征点位置，其他断面测量时可以参考它，达到准确、省时的目的。若水面较宽时，拉着绳索在水中极难行走，可以采用如下的施测办法：首先预留两个端点同前，然后两人分别立于两端并拉紧百米绳，施测时，由测船或其他代用品沿着断面绳进行测深，距离可以从百米绳上直接读取，水深用测船或其他代用品测量。

2.5冰上测量由于时间紧或其他原因，在我国北部地区入冬后可以进行冰上测量。测量时，在冰上凿一小孔，测出其位置和冰面高程，然后量出冰面至水底距离即可确定水底高程。另外，也可直接立尺于水底。同样，其定位方法有散点法和断面法：对于河道而言，应首先横向探出坡脚、河底及深泓点位置，以下断面和散点可以参考之，使立点准确并能很好地反映水下地形。有经验时，可以根据不同颜色判断水深，然后立尺、量深。该方法工作量大，但定位准确，测深精度高。工作中应注意人身、仪器安全。

2.6回声测深仪测深回声测深仪是一种应用回声测距原理测量水深的仪器。其工作原理为：换能器从水面发射声波，声波传到水底界面被反射，再回到换能器被接收。测定声波从发射，经水底反射，到被接收所需时间T就可确定水深，即H=CT/2（其中H为水深，C为声波在水中的传播速度）。我们最初使用的是SDH-13A型测深仪，该设备有精度校正装置，使各挡发射时间得以精确控制，因此测深精度高。为便于良好工作，在机动橡皮舟的船底上铺有面板，在船上固定有工作架，工作中将测深仪安放在工作架上。施测前，应作好断面控制和仪器调试等工作。断面控制：断面布设为相互平行，个别地方布置成扇形，其两端应按测站精度施测；仪器调试：主要包括如下内容：（1）调声波微调R，使零线和校准线距离“XI”量程时为15cm，“X2”量程时为7.5cm；（2）按下定标键后应出现一条垂直于迹线的直线，否则更换打印针或皮带及调紧固螺拴等；（3）有时很难将零线调到0处，可以将其调到0.5cm或1.0cm位置。施测时，在断面一端安放全站仪，当船离开水边适当距离，方向准确速度均匀后，跟踪定位，记录的同时让司仪员按下“定标”键，以后测站指挥测船匀速直线前进，当快到对岸时，双方进行联系，再跟踪定位，记录时通知司仪员按下“定标”键，这样一个断面就结束了。当距离较远无法跟踪时，可以在按定标时仍下浮漂（其下悬有适当重锤），然后调头停船定位。通过施测，我们发现娴熟的驾驶技术和密切的配合是确保精度的关键。内业工作中，通过实测距离和记录纸上断面长度换算比例尺，取迹线变化处并满足规定间距处量取各点距离进行换算，最终确定其平面位置，高程由水面高程减去水深即可。

三、现代测量方法

3.1测深仪配合GPS进行水下测量

随着时代的飞速发展，测绘技术不断更新，GPSRTK已广泛应用到工程测量中，测深仪出现了模拟数字信号和数字测深仪。测深仪能与GPSRTK配合使用，可与GPS全球定位系统及计算机直接进行通讯，很好地完成了一般的水下测量任务。水下测量时在船上安置GPS接收机和天线，再配合测深仪和笔记本电脑联合使用。GPS接收机测得的坐标和测深仪测得的水深以及断面线方向实时显示在计算机屏幕上，驾驶员按计算机显示的断面线方向行驶，测量员将计算机设为每30m或其他固定间距自动记录坐标和水深。同时测量当天水面高程，内业处理时由水面高程减去水深，即得断面点的水底髙程。由于回声测深仪是通过声纳反射从而测得水深，因此当遇到水草或其他物质时，容易产生偏差，在水草稠密且面积较大时，单频回声测深仪无法正常测量，需改用双频回声测深仪或其他测深工具测量。随着近几年来水下地形测量技术的发展，单波束回声仪已不能完全满足需求，进而开发了多波束测深仪，国外发达国家早已经开始使用多波束测量技术。多波束水下测量系统以其全覆盖、无遗漏的测量方式，在效率、精度、分辨率及水下地形成图质量上有了大幅度提高，整个系统从外业到内业全过程真正实现了自动化、智能化和数字化，彻底改变了传统的水下测量手段，具有广阔的应用前景。该系统适应于内河、水库、湖泊及海洋等水域水下地形测量，水下目标搜寻及监视，特别适合江岸险工险段水下监测等。

3.2水下摄影测量除以上水下测量方法外，也可采用水下摄影测量对水底目标或局部地形进行测敏，以确定水下摄影目标的形状、大小、位置和性质，或局部地形的起伏状态。

3.3水声定位

水声定位技术是近30年来发展起来的一种海洋测量定位手段。其原理是在某一局部海域海底设置若干个水下声标,首先利用一定的方法测定这些水下声标的相对位置,然后在测量确定船只相对陆上大地测量控制网位置的同时,确定船只相对水下声标的位置,依这样同步测量的处理结果,就可以确定水下声标控制点在陆地统一坐标系统的坐标。实施测量定位时,水下声标接收到测量设备载体(可以是测量船或水下机器人)发出的声波信号后发出应答信号(也可以由水下声标主动发射信号)。通过测定声波在海水中的传播时间和相位变化,就可以计算出声标到载体的距离或距离差,从而解算出载体的位置。

水声定位系统的工作方式主要有长基线定位系统和超短基线定位系统。长基线定位系统原理通过安装在船底的一个换能器向布设在水下、相距较远的3个以上水下声标发射询问信号并接收水下声标的应答信号,测距仪根据声速和声信号的传播时间计算出换能器至各声标的距离从而确定船位坐标。长基线定位系统的定位精度为5～20m;短基线定位系统是在船底安装由3个水听器组成的正交水听器阵和1个换能器,在海底布设1个水下声标。通过测定声标发出的声脉冲到不同水听器之间的时差或相位差计算测量船的位置;超短基线定位系统的工作原理与短基线相同,只是3个正交水听器之间的距离很短,小于半个波长,只有几厘米。

3.4侧扫声纳

侧扫声纳应用于海底地貌探测是在20世纪50年代由英国海洋地质学家提出的,60年代后,英、美、法等国陆续开发出侧扫声纳的实用产品。80年代以后,计算机技术广泛应用于侧扫声纳,90年代,出现了数字化的侧扫声纳,使这一技术得到了进一步的发展。

侧扫声纳可以显示微地貌形态和分布,可以得到连续的具有一定宽度的二维海底图象。侧扫声纳由拖鱼式换能器、拖曳电缆和显示控制平台组成。侧扫声纳的换能器线阵向拖鱼两侧发出扇形声波波束,可以使声波照射拖鱼两侧各一条狭窄的海底(照射到海底的宽度与水深成正比),海底各点的回波以不同的时间差返回换能器,换能器将声信号转换为不同强度的电脉冲信号,各脉冲信号的幅度高低包含了对应海底的起伏和海底底质的信息。依靠测量船向前的移动完成两侧带状海底的扫描,通过显示器可得到二维海底的伪彩色或黑白声图,可以显示出海水中和海底的物体轮廓和海底的地貌。

传统的侧扫声纳只能形成二维的声图,而得不到水深数据,为了提高测量效率,开发出了三维侧扫声纳,其工作原理是在每侧至少使用两条接收换能器阵元,通过测量信号到达两阵元间的相位差,得到侧向水深数据。

结束语：

随着时代的飞速发展，水下测量技术从传统的测绘技术发展到数字化测绘时代。测深仪的输出信号由传统的纸质信号发展到全数字信号。深度测深仪从单频和双频发展到目前多波束水下测量系统。据报道，我国已研制出一种具有自主知识产权的多波束测深仪。该仪器的成功研制将打破国外在该领域的技术垄断，在我国具有很大的推广价值。

参考文献：

[1]刘忠强,杨清臣.GPSRTK配合测深仪在水下地形测量中的应用2016.9

[2]沈诚学.GPSRTK技术在水下地形测量中的应用2017.4

[3]高斌,吴向阳,刘娟.GPS在水下地形测量工程中的应用2016.12