水下地形测量及其数据采集技术

水下测量包括河道、库区、近海测量及大洋测量等,对不同测量对象来说,其基本测量工作均包括水位、测深及定位观测等。

（一）水位观测及计算

水下地形点的高程等于测深时的水面高程(称为水位)减去测得的水深,因此,在测深的同时,必须进行水位观测。

观测水位首先要设置水尺,再把已知水准点连测到水尺,得其零点高程H0。定时读取水面在水尺上的读数a(t),则此时刻水面高程H′为

水尺观测可以采用人工读数方法,如果观测时间较长或作为永久观测项目,可以设立水位自动观测站。

水位观测的时间间隔,一般按测区水位变化大小而定,观测结束后绘出水位与观测时间的曲线,以用于各测点采样时瞬时水位的内插获取。

如果测量的河道较长,应在一定距离范围内增设观测水尺,并利用水尺间水位落差和距离(或水位落差和时间)的关系换算出测量时刻某点对应的水位。

如果测区附近有水文站,可向水文站索取水位资料,不必另设水尺进行水位观测；如果是小河或水位变化不大,可直接测定水面(水边线)的高程,而不必设置水尺。

随着GPS-RTK技术发展,基于GPS-RTK无验潮模式下的水深测量正在实践中得到应用。

（二）水深测量

测深工具主要有测深杆、测深锤和回声测深仪等。测深杆用直径4～5cm、长4～6m的松木等制成,杆底装有质量为0.5～1.0kg的铁垫。测深锤又称水砣,由铅砣和砣绳组成,铅砣重3.5～5.0kg,砣绳长约10m。在测深杆上、测深锤的绳索上每10cm有一小标志,每1m有一大标志,以便测深读数。测深杆、测深锤分别适用于水深4m、10m以内且流速不大的区域作业。

回声测深仪在水深测量中已广泛使用,其基本原理是:测量声波由水面至水底往返的时间间隔t,从而推算出水深h,即

式中:v为声波在水中的传播速度,约为1500m/s。

如图8-27所示,回声测深仪由换能器和控制仪两大部分组成。在控制仪指挥下发射换能器按预定的时间间隔发生短促的电脉冲,并转换成超声波向水下发射。该声波传至水底向上反射,其中一部分反射波被接收换能器接收,并转换为电脉冲,经放大后输入控制仪。测定发射脉冲与接收脉冲的时间间隔t,从而求出水深。

图8-27　水下高程测量

（三）测深点间距要求

由于水下地形是看不见的,不能采用先选择地形特征点,再对其进行测量的方法进行。因此,必须布设适当的断面点或按一定间距散点,由点的密度来保证水下地形图的质量。测深断面、测深点间距要求,见表8-10。

表8-10　测深断面与测深点间距

(www.xing528.com)

在水下地形测量之前,应根据测区内航道(或河道)的走向、水面的宽窄、水流缓急等情况,在实地预先布设一定数量的测深断面线(简称测线),如图8-28所示。若河面窄、流速大或险滩礁石多时,要求船艇在垂直于河道中心线的方向上行驶很困难,这时通常采用散点法测量,如图8-29所示。

图8-28　测深断面

图8-29　测深散点

（四）定位测量

测深点除了需要水深、瞬时水面高程数据外,还须测定其平面位置。测量方法有断面索法、经纬仪角度前方交会法、微波定位法及GPS坐标法等。

1.断面索法

在河岸按一定间距设置断面点,经纬仪置于断面点上,照准对岸相应的断面点,或以同岸点定向拨角确定断面方向,小船从水边开始,沿断面方向行驶,按一定间距选取测点,用测深工具测定水深,同时由经纬仪定位,即可确定水下断面点位。

2.经纬仪前方交会法

将经纬仪架设在岸上的两个控制点上,经定向后,同时观测船上的测点目标,即用前方交会法定出测点的水面位置；同时,在测点处测量水深,即可确定水下断面点位。

受交会距离的限制,即当距离过远时,经纬仪将难以精确跟踪瞄准目标,其交会精度降低。另外,实际作业时,此法所需的人员多、工作分散(在岸上有观测水平角的两个测角组,搬移导标指引施测断面线方向的导标组,观测水位的水位组；在船上有指挥员、发令员、旗号员、测深员及船员等),必须共同研究计划,明确分工,加强联系,使全体作业人员步调一致,共同协作完成任务。

3.微波定位法

微波定位法是根据无线电距离交会或距离差交会来确定测船位置的,前者称为圆系统定位,后者称为双曲线系统定位。

(1)圆系统定位。在岸上两个控制点上各设置一部微波电台(称为副台),每个电台上设有接收机、发射机和定向天线。在测船上也设有一部微波电台(称为主台),并设有发射机、接收机、全方向天线和显示设备。

圆系统定位的原理是:测船沿测线行驶时,船上主台产生一定频率的微波信号,经由天线以速度v(电磁波传播速度)向外发射,当微波信号到达副台后,经副台接收、放大又向船上主台发射应答信号；主台接收到应答信号后,借助于发射与接收时间段的脉冲计数,就能精确地测定出发射信号和应答信号之间的时间间隔t,从而可以算得主台和副台之间的距离D=vt,此值可在仪器的显示器上直接读出。为了使岸上的每个电台都能应答预先规定的微波信号,船上电台的发射机应发射两种不同频率的信号,而岸上电台的接收机各自也调到相应的频率,通过从显示器上读出的两个距离值,就可以在预先绘制好的图板上交会出船的位置。

(2)双曲线系统定位。由解析几何知,一动点到两定点距离之差为定值时,其轨迹为双曲线。根据此原理,在岸上设立三个电台,船上设立一个电台,通过测量船上电台至三个岸上电台两两的距离之差,即可得知测船位于哪两条双曲线(根据岸上的三个控制点预先在图板上绘制好两组双曲线)的交点上,从而得知测船的平面位置。

4.GPS定位

目前利用GPS实时动态定位技术进行水下地形测量,具有工作灵活、不受距离和气候的限制、自动化程度高,可以实现与测深点的同步自动采集和记录等特点,因此应用广泛。

进行水下地形测量,若选用合适的GPS软件,可以提供波浪平滑测量和海洋潮汐的数据采集,这对于高精度的水上测量来说意义更加重要。

水上测量的测区范围一般比较大,应用常规仪器在距离方面是一个不可克服的缺陷,而用GPS-RTK作业,其作用距离可达10～30km,且精度较高。