M9在丹東潮位站水下地形測量中的應用

梁 帥

（遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001）

1 概述

現代化儀器的應用為水文事業的發展提供了便利性，M9是一種新型的水文河流流量測驗儀器，即聲學多普勒剖面儀（ADP）系統，它的使用極大地方便了流量測驗，為河流流量測驗節省了大量的人力、物力。

丹東潮位站水面較寬，最寬處河寬超過1 km。潮水位變化較大，一般每日變幅為4～5 m，受潮水每天漲落影響，河道水流沖刷頻繁，斷面沖淤變化較大，水下斷面復雜，測量困難，每次測量需要耗費大量人力、物力，難以保持精度要求。潮位站泥沙含量較大，當采用高頻率測量時，穿透性差，精度較高；采用低頻率測量時，穿透性強，但精度較低。M9能夠在測量過程中自動分配采用某個頻率的換能器和不同頻率的采樣波束，減少了人為的判斷；同時M9配備的垂直波束，也能夠滿足高含沙量的水深測量要求，保證了流量和水深的測量精度。

水下地形測量一般要求兩部分，即各斷面點的平面位置坐標和相應水深。各斷面的平面坐標可通過M9自帶的RTK GPS進行定位得到，水深可采用得到的M9垂直波束水深或者底跟蹤平均水深，經后期計算得到每一個測點的具體水深，理論上具有可行性。探索M9在潮位站的水下地形測量的分析研究，能夠擴展M9的應用領域，減少潮位站水下地形測量的難度，同時減少了各類危險因素，為水文職工的安全增加了保障。

2 M9簡介及應用

M9即聲學多普勒剖面儀（ADP）系統，一般由各類傳感器、換能器、測深儀及固定設備等組成：①傳感器主要包括溫度傳感器、羅經傳感器、縱搖傳感器和橫搖傳感器等；②換能器主要包含有4個3.0 MHz和4個1.0 MHz的對稱結構的測速探頭；③測深儀包含有一個0.5 MHz的垂直波束回聲測深儀；④固定設備主要指各類集成設備、電源、通訊設備等。

M9提供了3種儀器配置，即主機遙測模式配置、差分GPS模式配置和實時載波相位差分技術（RTK）模式配置。①主機遙測模式配置中，主機PCM中沒有配置GPS模塊，只能采用底跟蹤模式進行測量，在河流有動底時，無法采用此配置或者說測得的流量數據會偏小；②差分GPS模式配置中，主機PCM模塊中配備了差分GPS接收器和外置天線，主機PCM模塊以10Hz的采用頻率接受DGPS數據，并傳輸到ADP的內置存儲器中進行數據處理，之后ADP將處理后的數據傳輸到計算機中，差分GPS模式配置定位精度為亞米級，通常在河寬大于20米時使用；③實時載波相位差分技術（RTK）模式配置中，主機PCM中增加了RTK相關模塊及擴頻無線電臺，同時需要在岸邊設立單獨的RTK基站；該RTK基站系統主要由RTK GPS接收器、外置的高增益GPS天線、擴頻無線電臺調制解調器、外置高增益電臺天線和三腳架組成；在工作時岸邊的RTK基站和船上的ADP以10Hz的采樣頻率接收GPS定位數據，同時RTK GPS以1Hz的采樣頻率從RTK基站的擴頻無線電臺給安裝在船體上的主機PCM提供校正信號；RTK模式的定位精度能夠達到±3 cm，精度很高，能夠滿足各類河道流量的測量要求。

利用M9進行潮位站水下地形測量，其實質是利用M9的實時載波相位差分技術（RTK）模式配置，利用GPS采集平面坐標，利用M9測深系統采集測量水深，并經后期數據處理得到斷面的三維坐標，之后可以利用Excel或Cass成圖系統生成點位坐標或水下立體圖形，為水下地形測量提供新的思路。

3 地形測量及成果分析

水文中常用的測量一般有水下斷面測量和水下地勢測量，斷面測量較為常見，用處較多；水下地勢測量較為復雜，測量較少。

3.1 水下斷面測量

水下斷面測量作為常見的水文測量，在實際操作中經常遇到。利用M9進行水下斷面測量時可采用走航法。首先連接好儀器，檢查M9各儀器的狀態，設置M9相關參數，如磁偏角、換能器入水深、鹽度、篩選距離、水深參考和坐標系統等參數；然后在正式測量前對儀器進行羅盤校正和系統測試，待儀器一切正常后才能開始操作。

以丹東潮位站測量為例，首先確立斷面左右岸的斷面位置，派專人記錄測量過程中斷面處潮水位的變化過程，按水尺讀數規范記錄。RTK鎖定一般需要10 min，確定RTK鎖定后啟動斷面測量。在測量前讓ADP在岸邊起點停靠，量取精確的換能器入水深，并讓GPS對起點有足夠時間進行定位，通過計算機軟件檢查經緯度坐標或位置坐標；在采集不少于10組數據后開始走航，走航過程中應保持勻速，并使船速不宜過大，使航跡應盡量與測流斷面線重合，保證斷面的直線性。到達終點時，需等儀器記錄完本次測量后才能進行船頭調轉操作。同時為保證測量精度進行返回測量，方法同正測。在走航測量過程中走航的起點和終點必須和左右岸的斷面點重合。

測量結束后，導出ASCII數據，使用RiverSur?veyorLive數據處理軟件對導出的數據進行處理。導出的數據坐標為經緯度格式，在進行斷面計算時可使用Excel進行起點距的計算和校正。丹東潮位站斷面處測量數據導出經處理后結果見表1。

表1 丹東潮位站水下斷面數據處理后結果表

采用垂直波束水深，結合換能器入水深度以及測驗過程中水位的變化過程，對測量點的河底高程進行整理計算。潮位站平面坐標采用RTK模式下的定位坐標，如有需要可轉換為世界地理坐標系統。潮位為了保證測量結果的準確度，對潮位站斷面進行往返測量，并比較每次測量相同起點距處坐標以及起點和終點處坐標，并繪制測量斷面處大斷面合繪圖，進行結果的分析比較。經計算得到的潮位站斷面合繪圖結果見圖1。

圖1 潮位站水下斷面合繪圖

由圖1可以看出，水下斷面正測和返測重合性較好，水下斷面變化一致，斷面連續性和完整性比較好。因M9數據采集比較密集，數據采集較快，從導出數據來看可以達到一秒鐘一次，計算得到的起點距數據可以看出每1 m距離就有一組高程數據，對于水下斷面的連續性變化可以得到很好的控制，同時采用RTK GPS的測量配置，定位精度達到厘米級，測量結果比較可靠。

3.2 水下地勢測量

水下地勢測量主要包括前期儀器測量和后期數據處理兩方面。利用M9進行水下地勢測量時，前期儀器檢查和斷面測量一致。正式開始以后，需要在劃定的水面范圍內進行測量，儀器走航的密度取決于地勢的復雜程度，潮位站水下地形較為復雜，可以根據實際情況相對走密集一些，其余操作步驟同斷面測量。

測量結束后，導出ASCII數據，同樣使用River?SurveyorLive數據處理軟件對導出的數據進行處理。導出的數據坐標為經緯度格式，需要使用坐標轉換軟件或Arcgis對坐標進行批量處理，以滿足后期數據處理的要求。在對測量的數據進行轉換處理以后，可以使用南方Cass軟件生成水下地勢三維模型。首先，將處理后的數據導入軟件，建立數字地面模型，也稱為DTM模型。DTM模型指在一定區域范圍內規劃格網點或三角網點的平面坐標（x，y）和其他物性的數據集合，如果此地物性質是該點的高程z，則此數字地面模型又稱為數字高程模型（DEM），本次建立的模型實質為水下DEM模型。然后，繪制等高線，建立三維模型，在模型建立時需要根據實際輸入相關參數，最后生成水下DEM模型（見圖2）。

圖2 潮位站水下DEM模型圖

水下DEM模型從能比較直觀的顯示水下地形狀況，對于了解和掌握受潮水影響和河道沖淤變化的水下地勢有重要意義。通過M9對潮位站水下地勢的測量以及后期的數據處理和分析，能夠建立潮位站斷面附近的“數字河流”，為水文發展提供便利。

4 結語

利用M9進行潮位站水下地形測量具有可行性，測量數據連續性好，實時性高，對于斷面變化的節點控制性好，保證了水下斷面測量的完整性和準確性。同時基于RTK配置模式下的M9對于水面三維坐標的采集具有突出優勢，結合特定軟件處理，后期生成的水下DEM模型能夠直觀的顯示出水下地形的變化情況，對于水下地形的測量具有重要的意義。