水下地形测量方法及其选用分析

水下地形测量方法及其选用分析

摘要：本文简要介绍了水下地形测量大致的内容，接着就平面定位和立面深度位置测定的方法进行全面阐述，对比对了两个方面的多种方法之间的优劣势，选用的具体情况，最后介绍了当前常用的先进技术结合应用现状。

关键词：水下地形测量；GPS-RTK技术；方法选用；技术分析

Abstract: this paper briefly introduces the measuring the content of the underwater topography roughly, then plane positioning and facade methods of determining the depth location for full explanation, compared to the two aspects of between the advantages and disadvantages of various methods, the selection of specific circumstances, at last, the paper introduces the current situation of the application of advanced technology.

Keywords: underwater topography measurement; GPS-RTK technology; Chosen methods; Technical analysis

引言

随着我国经济的迅猛发展，水利水电事业的高速前进，水下地形的测量和绘图工作挑战越来越多，必须全面了解水下测量比较使用的方法，继而根据具体工程情况科学合理运用，这样才能在实际工作中创造最大化的经济效益和社会效益。目前我国水下地形测量存在着部门难题亟待解决，包括水下地形的测量数据处理方法及绘图过程现代化程度较低、地形测量缺乏工作效率且方法较多较杂没有形成体系，本文总结了相关内容以寻找解决方法。

水下地形测量概述

常规情况下的水下地形测量主要包括三方面工作内容，即：平面定位、深度位置测定和水位的观测。第一步工作内容是沿着河道两岸按照一定密度的设计要求建立控制点体系，根据测深的精度要求、瞬时的可能水位差和水位变化模型对测定的影响，确定数量来布设水位站，保证水位站密度满足所需要控制的范围内部内插之后水位的精度要求。第二步运用现代导航软件和GPS等硬件设施进行测深船定位，指挥测深船航行于指定的测量断面中，定时采集导航软件和测深系统所采集的观测数据。最后对所采集的数据进行处理，将实测坐标转换至工程实用坐标、修正测定的声速和水位变化值、改正时间同步情况，然后形成实用的地形图。

平面定位方法

按照规范的相关规定要求，水下地形的平面定位误差必须控制在1.5mm 范围，对于平坦的底质可以适当放宽到2.0mm范围内。为了满足定位的精度要求，需要全面的了解常用的几种平面定位方法，按照不同测区范围、深度和流速

等情况及测图比例尺寸要求，结合现有技术能力和仪器设备情况，最终加以科学选择。

3.1 前方交会法

该方法适用性较为广泛，对于任何水域水下地形的位置测定都能够进行，在经纬仪方向交会方法和大平板仪方向交会方法中应用较多。经纬仪方向交会方法通过观测方向值来换算解析坐标展点，继而完成绘图，大平板仪方向交会方法则是使用左右两个站点同时集中照准测船标志点，两个站点一个完成测图板另一个完成透明纸绘图，最后内业操作完成控制点定位，图解完成绘图。相比较而言，前者可以避免图解的误差，具有更高的精度，但是对内外业人员要求默契的配合，需要较高实测经验的绘图人员完成。进行前方交会法测定平面位置的时候，常常遇到水域面积较大导致交会方向的长度超越规范规定测区的情况，此时就需要使用三台仪器进行立体交会，下图1即为三个测试点误差分析，图中还展示了同侧不远定位点的测量精度较远离控制区域定位点的精度高。下图2为某河道两岸通过对称的四测站组合式交会点，其可以依据交会角度优劣情况，适当的选取不同的双组交会方向值最终定位。

图 1 三个测试点进行前方交会法误差分析图 2 四测站组合式交会点平面位置测定

3.2 六分仪后方交会法

该方法较多的应用在施测范围宽广的水域中，两个观测人员各自手持六分仪站在测船上同步测定角度，再由船上的绘图人员使用三杆分度仪来进行图解定位。该方法操作简单、适用性强，但是因为六分仪和三杆分度仪都存在偏心误差不可避免的劣势，精度不够高，在1:5000及以下小比例尺寸水下地形测量应用中效果较好。

立面深度位置测定方法

进行平面定位的同时需要进行里面的深度位置同步测定，这样才能准确的描述水下地形实际情况和各要素特点。现有规范没有以定值形式规范深度测定误差，其为根据具体的使用方法、感潮水域情况和实际测深情况以设置特定精度的要求。

4.1 回声测深仪深度测定

水深测量的区域面积较大的情况下，回声测探仪可以充分发挥其快捷、方便的优势，精度能够达到实际水深0.5%至1%范围内，对于一般的建设生产要求足够满足，但是其容易受到漂浮物及水生植物的干扰，必须先行解决障碍物，常常采用绳测或者杆测配合来完成。通过适当的侧前和侧后比测及相关的修正手段，

可以大大的提高回声测深仪完成的测深精度。首先当水位的变化高于0.1m的情况下要对水位的修正，先进行不同时间不同水位的分级过程线水位测定，接着插曲改正深度数值修正水位。其次是对测量船运动吃水情况的修正，船速及船动对水深测定影响较大，进行修正值保证可以实现实际工作测量的精度要求。最后还需要对测船倾斜的误差进行修正，采取现代化的先进方法予以缺陷弥补。

4.2 测杆测定深度位置

直接将标有分划尺寸的测杆插到水下进行水深的测深方法较为传统，在浅于5m的水域测定较为适用，此外还要求水流速度小于1m/s。由于劳动量太大且受到测杆杆长限制，该方法更多的是配合其他测深方法，以发挥其浅水区域较高的精度特点，尤其是2m深度水域范围内杆测是目前水下地形最有效最精确的测量方法。

多方法综合结合现状

5.1 测深仪结合全站仪水下测深操作

使用全站仪来跟踪水深测量点坐标位置，将棱镜始终保持在测深仪的换能器常量上，测深仪测定换能器到水深点高差，棱镜进行测深点位置二次确认，继而计算高程，最后采用坐标展点发来实现水下地形测量绘图，这就是完整的测深仪同全站仪结合测深的操作流程。该方法适用性好，测船逆行或者顺行都能保证测深精度，另一方面该方法不设置过多的组水尺，避免了中间误差，另外由于换能器处于水下位置，不会受到水面波动等影响。

5.2 测深仪结合GPS-RTK技术测深操作

GPS-RTK技术应用下的测深仪操作首先要合理选择差分参考站，将该站点三维数据输入系统，由系统实时解算流动站三维坐标，继而同步的记录测深仪观测数据，完成水下高程值测定，后期采用成图软件进行内业处理，完成绘图。该方法将RTK数字天线结合进测深仪测量系统之中，简化了操作的步骤，实现了水下高程测量独立操作过程，而且作业的条件要求较低，定位测量精度较高，从而保证了作业的效率，实现了水下地形测量的经济效益和精度要求。

6. 结语

水下地形测量方法多种多样，各自有着独特地优点的同时也都存在不足，必须结合实际工程需要进行方法选择。除了外业测量方面的方法需要综合考虑以外，现在的水下测量软件也存在操作不方便、数据不互通和分析缺乏科学研究等缺陷，需要投入大量的科研工作。

参考文献：

[1] 何府祥．浅析几种常用的水下地形测量方法[J]．中国设备工程，2005，