江河湖泊水下地形测量方法的探讨

江河湖泊水下地形测量方法的探讨

秦力考明君

大连五星测绘科技有限公司秦力

大连五星测绘监理有限公司考明君

摘要：随着经济发展的需求,水资源的开发不断的扩大，河流湖泊水下地形测量的基础测绘，成为水面确权、海籍确权的第一手资料，测量作业中，由于GPS定位的全天候、全覆盖、高精度、实时性，深受各测量单位的欢迎，通过GPS差分定位确定水面的平面坐标，通过测深仪测定水深，传递高程至水底，生成水底地形三维坐标数据，为规化、设计提供了准确的基础数据。

关键词：水深测量；数据处理；GPS；测线

一、基本原理介绍

1.坐标传递。由于水面测量的隐蔽性，不能直接测得水底的三维坐标，作业中只能借助测量船来过渡坐标数据。首先将陆地上的坐标系统引到测量船上，测得船体坐标，推导出水面的坐标，然后，通过测量船上的测深仪测出水深，将高程传递到水底，形成水下三维坐标数据，绘出水下地形图。

2.主要设备。目前单波束精密测深仪和多波束测深系统是作业中常用的水上测深设备。一般情况下浅水区使用单波束测量,水深不超过300米的深度,深水区使用多波束测深仪,测深多少与其发射频率有关。多波束测深系统是一个复杂的综合性系统,它由四个部分组成:声学系统和采集系统,数据处理系统和外围辅助传感器系统。它是通过测量船体瞬时位置、姿态、船姿的精确定位，测得声速断面，结合潮位、水文资料等数据的处理，计算波速脚印的坐标和深度生成水下地形图。

3.高程异常拟合。分为两大模型:距离加权平均模型和多项式模型。其中距离加权平均模型的计算方法需要多次尝试才能选出合适的定权方法。多项式模型的计算比较简单，但是它的阶数太大，否则，容易产生龙格现象，同样阶数也不能太低，太低了无法反映高程异常的复杂变化。对于地形起伏较少的平坦地区或沿海地区，高程异常变化不大，使用双线性多项式，一次多项式即可进行拟合，对于高程异常变化较大的地区，可以建立格网，进行分块拟合。建立格网，则能降低多项式模型的阶数，消除龙格现象，同时能描述复杂的高程异常变化，效果较好。

二、系统简介

1.一台GPS时。如果测量船上仅有一台GPS接收机，那么测绘的时候必须将测深仪换能器与GPS接收天线安装在同一铅垂线上，保证两者的平面坐标相同，作业中要准确量取GPS接收机与测深仪换能器的垂直距离，作为高程改正数的加常数。

2.两台GPS时。如果测量船上装有两台GPS接收机，天线1、2的相位中心在船体坐标系下的坐标固定为u1，v1，w1和u2，v2，w2。天线1、2的实时施工坐标为x1，y1，h1和x2，y2，h2。在实际作业中，则可以将施工坐标系的方位角与船体坐标系的方位角进行一系列转换，通过计算求得改正数，推导出船体坐标，进而求解水下坐标和高程。

3.倾斜仪加两台GPS。倾斜仪可以测定船体的倾斜、船头与船尾的俯仰，此时的GPS坐标传递略显复杂，涉及到了船体坐标系与施工坐标系间的转换，施工坐标系与平面投影坐标系的转换，作业中都要考虑并选择测量模式。精密水下测量时需要，一般不搞如此复杂的作业测量项目。

4.姿态仪。测量船上姿态仪定位计算步骤如下：a.船体坐标转换为天线系坐标。b.天线系坐标转换为站心坐标。c.站心坐标转换为WGS-84空间直角坐标。d.WGS-84空间直角坐标通过一系列的转换变为施工坐标。

三、作业方法介绍

1.由于水下地形测量是在流动的水中进行，而且作业员看不到水下地形，不可见性决定了常规的综合取舍不能进行。因此水下的地形点是按断面法采集地形点。

①.断面索定法。在测绘水下地形图时，由于是水上作业，其特点是视野不清、水面窄短、测深点密度大、精度要求高，采用常规的作业方法很难满足要求，故采用断面索定法。

②.交会法。有前方交会法，后方交会法。作业条件高，一般现在不采用此法。

③.极坐标法。此法多适用于水面不宽、流速缓慢或静态水面、无风浪的水域。

④.无线电定位法。此法适用在海洋、湖泊或宽广的水域测量时进行测深定位。因为它是根据电磁波测距的原理进行的。虽然方法古老陈旧，但精度高、操作方便、不受通视和气候条件的影响。

⑤.GPS定位法。此法是现在作业中被广泛应用的方法，而且因为其灵活、远距离、高精度、全天候、全覆盖，深受作业员的欢迎。

GPS接收机与测深仪的结合，通过基准站、流动站的组合方法，实现了动态实时定位测量，差分技术的应用提高了测量精度，全天候、全覆盖加快了测量速度。

四、数据处理及注意事项：

①.同步性：水面点的平面位置、高程；水位的瞬时值、测深仪的测量值、时间的对应。这几个方面的一致性是水下地形测量精度的基础，是水下地形点的平面位置、高程的精度的质量保证。

②.水面粗差的剔除。水下测量与陆地测量的区别，具有明显的动态效应，同时因其不可视性，由于隐蔽的特殊性，可能会有突出物体的影响而产生个别的粗差值。另外水流运动，不同的物理特性，或运动物体的阻挡，会有更多的干扰，都会影响测量数据而产生粗差。处理数据时都要分析并剔除。

③.已知成果的检校。由于靠近水域，已知点的数量比较交通方便的地区少，精度也较低。作业中要分清已知点的精度，坐标系的选择，尤其是已知数据，有的是城建坐标系，有的国家85坐标系，有的是2000国家大地坐标系，使用前认真校对检验，分清是地方的城建系统、还是水利部门的独立系统还是国家的统一坐标系。

④.测线的布设，水下地形测量测线的布设，是为了测量船导航和水下扫测全覆盖有足够的重叠带而确定的。对单波束测深仪而言一般为直线布设，分为主测深线和检查线两种测线。主测深线的布设规定为图上间隔10mm布设一条主测深线。检查线的布设原则上是垂直于主测深线方向布设。多波束测深检查线是要求两条平行的测线外侧波束应保持至少20%的重叠。检查线的布设应当至少与所有扫测带交叉一次，以检查定位、测深和水深的改正和精度。

五、结束语：我们只是简单的介绍了一下水下地形测量的一般方法，对普通的问题进行了探讨，而水下测量还包括海洋工程、港口工程、疏浚施工、航道通行；以及港工建筑物的变形监测、海底管线敷设、海洋钻井、水下摄影、地震预测等更广泛的领域，涉及到更专业的技术问题，这都是我们作业中要认真去学习的。通过不断的学习高精尖知识为海洋测绘做出应有的贡献。