界河航道測量關鍵技術分析

李亞東，李 韜

（中交（天津）生態環保設計研究院有限公司，天津 300202）

引言

航道測量，是指對通航水域進行的測繪工作。包括通航河道全部河床范圍內的水下、水上地形與地物和兩岸范圍內的地物標志測量、水流觀測、航行障礙物及限航物的測量以及資料整理和航道圖繪制等工作[1-2]。航道測量需要分別進行地形、水深和水文測量，地形測量常用 RTKGPS、無人機航空攝影測量等方法進行；水深測量常用單波束的方式進行；水文觀測常用聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）、自給式水位計的方式進行。本文以圖們江界河航道測量工程為例，分別就地形、水深、水文測量的數據獲取、處理方法的關鍵技術環節進行分析，最終分別生成滿足技術要求高程地形圖和水深地形圖，為航道的模型設計與研究提供數據依據。

1 研究區概況

圖們江位于吉林省東南邊境，是中、朝、俄三國國際河流，全長520 km，從發源地至防川“土”字牌505 km 為中朝界河，防川“土”字牌至入海口15 km 為朝俄界河。本次航道測量區域為圈河公路橋至防川土字牌段26 km 航道測量。

2 航道測量關鍵技術

2.1 地形測量

首先根據已有控制點進行坐標轉換求取轉換參數，以轉換分區求取WGS 84 坐標系至 2000 國家大地坐標和1985 國家高程基準的轉換參數。坐標轉換精度直接影響到最終成果的精度，依照《水運工程測量規范》，轉換結果平面、高程最大殘差均不大于±50 mm[3]。

地形測量常用全站儀、RTK-GPS、無人機航空攝影測量等方法進行。但是本區域位于邊境地區，無RTK 網絡信號、軍事管制限制無人機活動，綜合考慮最終采用架設基站的RTK 作業模式。外業測量采用RTK-GPS 和多平臺激光雷達測量系統配合的方式進行外業地形數據采集，兩岸地形和江心沙灘主要采用激光雷達測量系統進行數據采集，中方地形掃描不能覆蓋的地區利用RTK-GPS 進行數據采集，見圖1。

圖1 地形外業測量

采用RTK 作業模式時，每次設站，首先在圖根控制點上架設基站，然后流動站到附近已知點上進行校核，并填寫 RTK-GPS 定位比對表和全站儀比對記錄表，其平面坐標互差不大于 50 mm，高程互差不大于30 mm。

本次采用華測AS-900HL 多平臺激光雷達測量系統，見表1。該系統集成了各類高性能的傳感器，如高精度、長測程的激光掃描儀，高精度光纖慣導系統，極簡的輕量化設計，適合飛行和車載船載平臺的操控。為確保激光GNSS 系統定位準確要求GNSS 基站覆蓋半徑為10 km。河道要素采集，采用AS-900HL 移動測量系統，掃描范圍在河道兩側及附屬地物，使用Copre 軟件進行點云數據解算，主要包含差分GPS 處理、軌跡文件解算、點云數據輸出和點云坐標轉換；使用MappingFactory 軟件進行數據采集編輯工作，并按照數據要求進行圖幅輸出。

表1 AS-900HL 多平臺激光雷達測量系統主要參數

2.2 水深測量

水深測量采用RTK-GPS 與單波束測深儀配合進行 RTK 三維水深測量的方式進行，一般水深的河道采用測船作業[4]，在普通測船難以到達的淺水區，使用RTK-GPS 配合測深桿由人工直接測量河底高程。

為反映水深變化趨勢，單波束測量時主測線垂直于河道走向布設。主測線間距按《水運工程測量規范》規定進行設計。同一作業組不同時期的相鄰測深段布設不少于2 條重合測深線。按照垂直于主測線方向布設若干檢查線，檢查線長度不小于主測線長度的5 %。

采用RTK-GPS 進行三維水深測量的定位，RTK-GPS 天線直接固定于測深儀換能器支撐桿上，在測量過程中，能夠實時獲取GNSS 天線相位中心的準確平面位置和高程。量取換能器至天線相位中心距離（天線高），即可實現與平面定位同步實時獲取換能器位置高程，同時獲得厘米級的平面、高程定位精度。可以避免測量船舶動吃水和潮位變化對測量結果的影響。

在控制點架設RTK-GPS 差分基準站，測量船舶GNSS 流動站通過無線電接收來自基準站的差分數據。采用海鷹Y1600 測深儀和 Hypack 水道測量軟件進行水深測量的導航與測深數據采集，見圖2。軟件的導航界面可實時顯示正在施測的測線、船舶偏離測線的距離，供測船駕駛員隨時修正航向，保證測船沿測線航行。信息顯示窗口能隨時顯示各種導航參數（X、Y 坐標、船速度、船艏向、記錄狀態、文件名、時間、測線方向、緯度、經度、偏移距、水深等）。測深過程中，技術人員時刻注意測深儀工作是否正常、測深儀數據采狀況是否良好、測深紙上的回波信號是否清晰、吃水線是否漂移等情況，保證測深儀在穩定狀態下工作。

圖2 使用Hypack 軟件進行數據采集

外業獲得的數據進行處理，見圖3。對所采集的定位數據、測深數據，結合外業觀測記錄檢查聲速、坐標系統參數等是否設置正確。其次對數據進行篩選、聲速改正，對測深測量過程中受波浪等影響的一些數據進行剔除，對問題數據及時進行修正保證最終獲取到真實的水下地形數據。最終輸出 XYZ 格式的水深數據或南方CASS 的dat 格式數據，供內業成圖時使用。

圖3 Hypack 軟件進行數據處理

水深測量質量分析，項目使用RTK-GPS 進行三維水深測量的定位，RTK-GPS 天線直接固定在測深儀換能器支撐桿上，定位與測深中心重合，在固定解狀態下其動態水平測量精度可以達到厘米級，因此水深測量精度主要受測深影響。本項目測區水深基本都小于20 m，水深測量深度誤差限差為±0.2 m。該段 1：2000 測深中誤差為±0.1m，水深測量成果滿足規范要求。

2.3 水文測量

1）水位觀測

本段航道共布置基本水尺15 把，其中水尺1與圈河水文站水尺位于同一位置。設置基本水尺的同時埋設工作水準點，其高程從最近的水準點引測而來[5]。自2020 年6 月至7 月對15 把基本水尺進行同步水位觀測。水位觀測使用 KELLER DCX-22 型自容式自動水位計，觀測間隔30 min，全天觀測。

2）表面流速觀測

表面流速、流向觀測采用GPS 浮標法進行，外業連續記錄原始數據后期采用PPK 技術解算數據。浮標制作：以泡沫式救生圈為浮標主體，安裝GNSS 接收機進行數據采集。數據采集，觀測時風力不超過三級，同一河段各測次所用浮標規格相同，入水深度不大于水深的1/10。浮標采用PPK-GPS 定位，定位點間距不超過圖上±30 mm，并記錄定位時間。

內業采用EXCEL 進行數據處理生成scr 語句，基本以自動計算為主，對于部分不合理的數據進行少量人工調整。流速、流向成果整理時，編制計算書、繪制流速、流向圖，并列表注明施測日期、歷時、氣象等信息。

3）斷面流量觀測

斷面流量觀測共布設10 個斷面，斷面流量觀測采用美國RDI 公司的ADCP 多普勒流速儀，將儀器固定于船舷，儀器吃水設置為0.05 m，分層為0.5 m。每個斷面往返觀測，當往返測量流量結果超限時，重新觀測，直到觀測結果符合規范要求為止，斷面流量觀測資料以報表形式提供。

4）比降測量

水位比降觀測采用RTK-GPS 測量方法在枯水期淺灘位置進行，使用RTK 測量比降點的平面位置和水位。比降觀測位置、數量、間距和觀測時間等均滿足實際需要，同一測區的比降同步觀測。

計算水面比降時，按照以下公式進行：

式中：

Is——為縱比降（%），

Gu、Gd——為上下游水尺的水位（m），

L——上下游相鄰水尺間按流程計算的距離（m），數據處理結束后，編制比降成果表。

2.4 成圖編繪

地形圖編繪主要是對所獲取的地形、水深、水文多種數據進行整合，按照相應的地物屬性統一表達在一張地形圖上，主要包括地物特征點的勾繪，等高線、等深線的繪制，水文數據的標識，最終按照規范自下游至上游生成單幅的地形圖。

對于高程圖按照所獲取的數據直接編繪。水深圖的數據處理需要先收集資料確定基本水文站的最低通航設計水位，基本水尺繪圖水位通過與鄰近基本水位站同步觀測的水位數據采用水位相關法計算求得。基本流程見圖4 所示。

圖4 繪圖水位基準面推求總體工作思路

各細部點繪圖水位數值按照上下游基本水尺瞬時水位、設計水位，采用落差內插法通過下式計算：

式中：

Z——細部點的設計水面線；

ZX——細部點的瞬時水位；

Z上、Z下——上下游基本水尺的瞬時水位；

△Z上、△Z下——上下游基本水尺的瞬時水位與航行基準面的差。

最終由計算得到的繪圖水位基面數據和外業所測的高程格式的數據文件，根據我院編制的RiverLever 數據轉換軟件把高程數據歸算到繪圖水位面上生成水深數據文件，見圖5。展點到南方Cass 中，勾繪等深線、等高線等，生成水深格式的地形圖。

圖5 高程數據歸算到繪圖基準面上

3 結語

航道測量是一項多專業綜合性強的項目工作，通常包括地形測量、水深測量、水文測量、通航設計水位計算以及高程地形圖和水深地形圖繪制等工作，界河航道測量因其特殊的條件需要根據實際情況選用合適的測量方法。

地形測量常用的有全站儀、RTK、無人機航空攝影測量等方法，但在界河邊境地區結合實際情況采用架設基站、流動站的RTK 作業模式，配合激光雷達測量系統采集困難地區的數據工作，結果表明，數據可靠，作業效率高。

水深測量采用RTK 三維水深測量的作業方法，利用RTK 采集高精度的固定解坐標，獲取厘米級的實時三維坐標數據傳送至測深儀，可以有效消除動吃水和潮位變化對水深測量結果的影響，在內河航道測量時值得推廣。

水文測量選用合適的作業方法分別對水位數據、表面流速數據、比降數據、斷面流量數據進行采集，本文選用的方法具有普適性，在其他類似項目中值得參考。

數據處理是航道測量的一項重要工作，外業采集的數據通常為1985 高程基準下數據，如何轉化為水深數據值得研究，通常需要先確定最低通航設計水位，推求最低通航設計基準面，把85 高程下的高程數據歸算到基準面上的水深數據，借助自主開發的軟件可以快速實現高程數據向設計基準面下的水深數據歸算。