水下地形測量的幾種方法

高登山 王小琴

【摘 要】伴隨著我國經濟與科技發展，在水下地形測量方面已經取得了較為突出的成就，水下地形測量有助于掌握水下地質結構，對航運、水下石油、礦山開采有很大幫助。筆者總結實際工作經驗對幾種常用的水下地形測量方法進行闡述，同時結合GPS技術對水下地形的測量提供強大的理論支撐，希望能夠為我國河道湖泊的治理提供正確的方法。

【關鍵詞】水下地形 測量方法 GPS 技術

水下地形測量是通過測量儀確定水底坐標，從而提高對海洋、湖泊等的治理效率，我國對于水下地形測量的重視程度正逐漸的提升，尤其是水下設計與施工更是目前我國急需解決的重要問題，通過采用先進的科學技術提高水下地形測量的準確度，而測量方法的選擇將極大的影響水下施工的效率與治理，因此，本研究將對水下地形測量的原理及要點進行探究，并對水下地形測量工作的前景進行展望。

1 水下地形測量的原理

目前，我國的水下地形測量大多使用GPS定位技術以及GPS-RTK技術，傳統的測量方法具有很多的局限性，不能夠適用于寬度較大、河流匯集較多的河床，而回升探測儀能夠進行多角度的測量，不僅能夠提供準確、清晰的圖像信息，還能夠確定出水下的高度等。與此同時，GPS-RTK測量技術是通過基準站設置的接收設備來直接獲取水下坐標的信息，并對接收的信息進行統計與計算，確定觀測值，實際上，水下地形的測量是通過三維直角坐標系決定的，而GPS定位技術能夠將這些數據坐標準確的求出。還可以使用免驗潮的方法進行水下地形測量，也就是將GPS的天線設置在探測儀的正下方，這樣能夠便于較高程度的模型計算，使得水下地形的信息更加準確，需要注意的是對于儀器設備的選擇要根據實際的水文信息而定，對觀測點的選擇也要在經驗豐富的技術人員的指導下進行。另一方面，深測儀的工作原理是通過聲納的探測獲得與水底深度、溫度、鹽度以及儀器誤差等因素，筆者參考了深測儀數據的計算公式，總結出測度測量的準確度受制于水深比例的誤差，因此，在選擇測量儀器時要注意量程的大小以及靈敏度的高低等。

2幾種常見的水下地形測量方法簡介

2.1水位監測法

此種方法可細分為自動與人工監測兩種，使用期限比較長，屬于水下地形測量的傳統方法。監測站通常采取自動監測法，儀器按照6小時至12小時一次的頻率記錄數據。因此，自動監測的優勢在于資料較為全面、查閱方便。但結合目前情況來看，此種方法的局限性與滯后性也非常明顯，主要體現在下述幾個方面：一、采樣間隔長。由于間隔過長，記錄下來的數據無法對水面狀況進行實時反映，如果在海拔高程計算中采用此種方法，極易導致偏差過大、數據不準。二、監測站距離遠。通常來講，每兩個監測站的距離一般都大于50千米，遠遠大于測量工作的實際范圍，在這樣的情況下，反映出來的水位狀況有效性不會太高。

人工監測通常只能在臨時測量中應用，使用過程中需架設水尺，水位值觀測時間間隔為15分鐘至30分鐘。此種方法的優勢在于能夠如實、準確的反應實際情況，但是不足之處也非常明顯：適用范圍有限、操作麻煩、工作進度得不到保障。總而言之，傳統的水位監測法都有一個共性，即觀測準確度較低，在這樣的情況下，為了保證水下地形測量工作的實效，具體工作中要注意積極采用新的測量技術和方法。

2.2前方交匯法

前方交匯法適用于大多數的水域測量，其包括中分大平板儀方向交匯法和經緯儀方向交匯法。大平板儀方向交匯法能找準測量船上的標記對于測圖板的設置及透明紙的編制起到積極促進作用，具體的操作方法就是將透明紙圖放在測圖板上再按照控制點的位置逐步推移，如果方向相同就將其延長，兩線相交的位置就可以作為定位點，由此可見，此法是利用圖解定位從而減少實地測量所產生的誤差，需要注意這種方法限制在一比五千比例尺下的測量。另一種方法是經緯儀方向交匯法，其能夠消除傳統方法所具有的一切誤差，尤其是將三維坐標以圖表的形式呈現在分析人員面前，使得水下地形測量工作的效率得到極大的提高，繪圖人員只需要將測得的數據輸入計算機編好的程序中，就可以顯示坐標定位點，從而進行水下測量、施工工作。

2.3斷面索法

斷面索法就是使用經緯儀將河岸上空的斷面索做好標記，確保水下施工能夠擁有準確的定位，這種方式具有穩定性高的特點，適用于水流湍急河段的水下測量及施工，盡管斷面索法的精確度比較高，但是所耗費的成本較高，需要技術過硬的施工人員才能完成，一些經濟欠發達的地區還沒有能力使用此法進行水下測量，而且，如果河道過寬將很難確定懸空索的標定位置，因此，沿海的區域不建議使用這種方法。

2.4電磁波測距極坐標定位法

電磁波測距極坐標定位法是一種現代化的水下測量技術，利用經緯儀的跟蹤功能將測量船的信息反饋到反光棱鏡上，這樣就能夠將坐標信息直接反映到計算機系統中，不極大的提高了測量的準確度，還使得定位的準確度同比于傳統方法有所增強，另一方面，電磁波測距極坐標定位法不會受到海域、環境等因素的影響，即便是量程很大的海域也能夠反饋真實的數據，因此，此法在一定程度上減輕了測量人員的工作量，還使得水下交匯的盲區問題得以解決，能夠產生較大的經濟效益。

3 GPS技術在水下地形測量中的應用

3.1GPS系統的選擇

隨著我國全球定位系統的發展與完善，其在水下地形測量中有著越來越廣泛的應用，但是，GPS系統的選擇直接影響水下地形測量工作的質量，測量設備需要GPS完成水上的定位與導航，需要數字記錄儀對水深進行準確的測量，還要有計算機系統對數據進行統計和分析，實時的定位數據對于整個測量工作是至關重要的，應該根據實際的水下情況進行靜態差分定位以及動態差分定位。與此同時，RTK技術能夠實現野外的厘米級準確定位，不僅使得每一個定位的結果與觀測數值統一，更為GPS測量的準確性提供保障。

3.2利用GPS確定水面高程法

通過GPS的RTK工作模式能夠在實測之前準確地設定基準站的平面和高程坐標，進入差分工作狀態后，將流動站GPS接收機架設于水邊，測得GPS天線幾何中心的高程數據，再加上GPS天線到水面的高度，即可反算得水面高程。將GPS RTK與深測儀方法結合在一起不僅能夠補充水位測量的資料，還能夠提高測量的精確度，也就是說，GPS在水邊進行靜態觀測的同時采用RTK工作模式就能夠使得水文站的測量誤差控制在五厘米以內。另一方面，利用GPS確定水面高程還具有一定的局限性，如果遇到水面起伏波動很大時就會影響GPS天線的接收，可以通過多次測量取平均值的方法加以改進，從而獲得較為理想的水面高程。

3.3基準站的布設

在應用GPS技術進行水下地形測量時基準站的布置起到至關重要的作用，一般情況下都是在水上測量之前先在河岸上設置控制點，如果能夠將這兩道工序同時進行就可以極大的提高測量工作的效率，而GPS的RTK工作模式恰好是采用載波技術獎這種實時的差分得以實現，只要滿足在既定的差分信號范圍內使GPS接受設備持續測量三分鐘左右，就能夠完成RTK的工作，因此，布置合理的基準站位置能夠使得勘察工作變得異常簡便，節約了測量工作的時間，目前一般的雙頻GPS收機如果能實現RTK工作模式，都能達到厘米級甚至毫米級精度。

4案例分析

以云南瀾滄江糯扎渡電站為例，電站總庫容蓄水量為237億立方米。測量中采用了GPS-RTK技術，使用的地形圖比例為1：1000。測量區域的最大寬度為2.1千米，測量中使用了高精度測深儀，獲得了較為精確的測量數據。測量過程中使用的測深儀型號為HD3800，其能夠實現0.3米至600米范圍內的準確測量，聲速調整在1370m/s至1700m/s范圍內，分辨率約為1m/s。此次測量中，Leical230的位置延遲在0.03秒以下，在以8m/s的速度航行時，由于庫區均深在50米以下，聲速在1450m/s左右，位置誤差在0.07米以下，高程誤差不超過0.01米，與測量要求的精度相符。

5水下地形測量的前景展望

我國對于水下地形測量工作的要求越來越高，需要先進的技術與設備來實現水下地形測量的自動數字化，而GPS的RTK工作模式結合深測儀以及遙控船等設備能夠將水下地形測量更好的完善，這種方法能夠實現情況特殊的水下地形測量任務，還可以提高面積大的水域的防御，對于我國沿海地區的安全監測起到一定的幫助。另一方面，測量設備小型集成化的應用使得水下測量工作更具自動化，不僅節約了大量的人力、物力，更使測量的精確度不斷提高，尤其是最近研制的深測儀自動存儲功能，使得勘測設備攜帶更為方便，而遙控船的靈活性更是將水下測量工作更加全面、準確的完成。

6結語

綜上所述，本研究對水下地形測量的方法進行探究，主要對GPS的RTK工作模式進行介紹，強調了其在水下測量工作中的重要意義，對于提高水下測量的效率和準確度起到至關重要的作用。隨著我國科學技術的進步，GPS技術會更好的應用于各項測量工作當中，而水下測量工作的成熟對于我國航運、水利以及資源的調查等都有積極的促進作用，促進我國經濟建設的發展與進步。

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