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数字化测绘技术在水下地形测量中的应用研究

万飞

摘 要：近年来，数字化测绘技术广泛应用于水下地形测量工作中，尤其是无人测量船结合CORS网的应用克服了传统水下地形数字测绘技术的缺点。本文以引江济淮工程菜子湖段水下地形测绘工程为例，针对航道水深测量环境效应的特点，提出了一些提高测量精度的方案和建议。
关键词：数字化测绘;CORS网;水下地形;无人船
随着空间技术的快速发展，水下测量技术也发生了根本性变化。在水下地形测量过程中，每个水域的实际情况都各有不同，例如在沟壑、池塘分布较密集区域的水下地形测量，如果继续采用传统测量方法会导致精度、效率达不到理想的要求，这就需要我们测绘人员结合水域的实际情况选取适合的测量方法，以提高施测精度和效率。近几年，基于CORS网的GNSS RTK技术迅速的发展及无人船的普及，促进了水下地形数字化测绘技术的革新。
1 数字化水下地形测量技术介绍
1.1 数字化水下地形测量的概念
数字化水下地形测量技术是凭借先进的科学测绘方法和技术，集计算机软件技术、数字化测探技术以及GNSS定位系统于一体，对水下地形进行测量和绘制的一种新技术。其具有高自动化、高精度化、高效率化、以及适应性强等特点[1]。因此，被我国广泛应用于水路航线的开发与规划、水下资源的开采与勘探以及水路运输的发展等。
1.2 数字化水下地形测量技术的工作原理
数字化水下地形测量技术在实际应用的过程中，以水域测量为基础，对水底控制点进行测绘，同时采用差分GNSS技术，并联合各种测量水深仪器对水下地形进行测量和定位，然后通过绘图自动系统、计算机自动系统以及电子记录手薄进行系统性整理和测绘，从而形成一个具有绘图功能和自动测量水下地形地貌的数字化测量系统[2]。
换能器发射超声波，根据超声波在不同水温对应的传递速度v，超声波发射到A点再返回换能器所用时间t，则s=vt/2，那么A点水深H=a+vt/2，由GNSS天线位置高程h0，可以换算出A点高程z=h0-h-H。
1.3 数字化水下地形测量技术的拓展
传统水深测量，利用单波速换能器和GPS绑定在渔船上进行，近年来随着内河、湖泊的禁渔，船只越来越难找，有些测区即使能找到船，但存在水下地形复杂，池塘、浅滩较多，普通民用船只无法或者无法及时到达测区的情况。智能测量无人船解决了内河、水库、池塘水深难测的问题。它可以按照既定路线借助卫星定位自动行驶的船，远程即可进行操控，可搭载多种测量传感器替人完成各项任务。小巧的船体能贴岸作业，大幅提高监测效率和准确度，减少监测人员水上作业的危险;重量轻，携带方便。
2 数字化水下地形测量技术的应用
2.1 项目基本情况
引江济淮工程由长江下游上段引水，向淮河中游地区补水，是一项以城乡供水和发展江淮航运为主，结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用的大型跨流域调水工程，是集供水、航运、生态等效益的一项水资源综合利用工程。本次安徽省引江济淮工程菜子湖湖区航道整治工程施工图测量全长27.1km，是为满足该项目施工图设计及预算编制需要，于2019年12月20日完成了对该航道规划中线两侧各400m范围内的水域进行水下地形测量。根据规范要求测图比例尺为1：1000，水下地形点点位中误差±0.3m，采用2000中国坐标系，高程中误差±0.05m，1985国家高程基准，由于测区起点、终点附近鱼塘，沟壑，浅水区较密集，宜采用智能测量无人船施测。测区中段为湖区，障碍物较少宜采用民用船只+南方SDE-280测深仪施测。由于该项目是施工图测量，水下地形成果精度要求高，沿航道中线每30米间距布设一条垂直于航道方向的横断面，全线布设900多条断面，沿设计断面采集水下地形数据，按水运工程测量规范要求，采集间距为2米。
2.2 基于CORS的GNSS-RTK技术应用
传统水下地形测量，平面定点位需要在测区附近岸上先架设GNSS基准站，再配置GNSS流动站，基本都是结合潮位改正模型来获得测船处水位，然后再减掉水深探测仪获得的水深，从而得到水底高程。但这种测量方法存在缺点，测得的水底高程精度容易受水位变化影响，需要定期的测量水位，这样即增加了工作量，又增加了测量出来的水深存在瞬时误差概率，并且这个瞬时误差在最终的数据中也无法得到消除。解决上述问题的有效方法是实施无验潮水深测量（也就是基于CORS网的动态实时实点潮位测量+水深测量）。它具有高效、快速、自动化、精准以及全天候使用等特点。CORS系统能实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供GNSS观测值（载波相位，伪距），各种改正数、状态信息，以及灵活多样的定位服务，且很好的解决了长距离、大规模的从米级到毫米级别精度需求的GNSS定位问题。
在引江济淮工程菜子湖湖区航道整治工程施工图测量过程中，主要运用CORS技术代替传统自己架设基准站的工作模式，使水位观测与导航定位得到有效结合，消除测深时水位变化对测量精度的影响，缩短本项目外业测量工作周期，节省了人力物力。
2.3 测深技术及数据处理
在现阶段的水下地形测绘工作，已经实现了自动化系统的操作，全过程都可以通过自动化技术来完成。引江济淮工程菜子湖测区地势平坦，90%的测区在0.4-4米之间，水深较浅区域宜用单频测深仪来进行水深测量，这种测深仪由两部分组成，分别为换能器和水深数字化输出接口装置。在進行水下地形测量工作时，设备安装好后，首先，启动对应测深仪导航软件，对记录定位参数和水深参数进行设置;将DGPS、测深仪输出接口以及定位输出接口连接在计算机通讯上;再将测量船引导到需要测量的位置，然后根据技术要求对需要测量的水域进行测深和定位，同时结合软件的偏航数据，对测船的方向进行修正，保证测船能沿着断面方向进行航行，从而实现测深数据的同步化采集。
数字化水下地形测量外业数据采集后，然后通过计算机程序将获得的数据进行整理加工，可以快速的绘制出图形，简便了工作程序，减少了操作过程中人为操作的失误，有效的提高了工作效率。
3 结语
CORS网及无人船在数字化测绘技术中的应用，在精密定位和水深测量方面更加精准，弥补了传统测深技术的缺点，使水下地形测量变得更加智能化、高效化以及科学化，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]蒲焕尧.浅析水下地形测量中数字化测绘技术应用[J].建材与装饰，2019（17）：121-122.
[2]李颖.数字化成图在水下地形测量中的应用[J].科技资讯，2017（24）：222-223.
科技风2020年16期
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