水下測量技術在航道疏浚工程中的應用研究

◎ 饒鴻輝 廣東水電二局股份有限公司

1.引言

測量工作是為獲取地物的形狀、大小及空間位置，和傳統的地形測量一樣，水下地形測量是為了獲取水下地形的一種測量工作[1]。和傳統地形測繪不同的是，水下地形測繪多一個水深的獲取步驟，水下地形測量包括測點的平面位置和水深測量。平面位置主要采用GNSS定位技術確定，水深主要通過各種類型的單波束回聲測深儀得到，由水面高程減去水深可得測點的水底高程[2-4]。水深測量是水下地形測量的基本方法，通過測量水底各點空間三維坐標，可讓數據使用者對水下進行猶如陸上空間一樣進行研究、設計、施工等工作，隨著技術的發展，水深測量的技術手段有測深桿、水鉈、單波束測深儀、多波束測深儀等[5]。在海道測量、水運工程測量、施工測量等涉及水深測量的領域，單波束測深儀和多波束測深儀變得尤為普遍，多波束相較單波束有著眾多優勢以及單波束無法企及的應用領域和方向，因此在水深測量領域，不管是技術層面還是行業發展趨勢方面，多波束測深技術取代單波束測深技術已成大勢所趨[6-8]。

2.水下地形測量概述

2.1 水下地形測量方法

水下地形測量是指對水體覆蓋下地物、地貌的測量工作。主要包括測深、定位、繪制地形圖等。水下地形測量方法主要包括：人工測量法、單波束測深法、多波束測深法。

①人工測量：對于邊灘淺水區水下地形測量，測船難以航行時，應人工涉水施測，按照陸上地形碎部點測量方法施測；在水草或淤泥區可采用專業測深桿配合定位設備，人工定標并記錄測深桿實測水深。

②單波束測深：通過換能器垂直向下發射短脈沖聲波，聲波遇到水底發生反射，反射聲波被換能器接收，通過聲波在換能器與水底之間雙程旅行時間和水介質的平均聲速來測量水深的方法。

③多波束測深：采用發射、接收指向正交的兩組聲學換能器陣，獲得垂直航向、由大量波束測深點組成的測深剖面，從而實現高分辨率水下地形測量的一種方法。

高精度的定位測量須采用載波相位觀測值，RTK定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站，RTK定位技術測量示意圖見圖1。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GNSS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不到一秒鐘，通信系統由無人船數據傳輸天線，網橋和遙控器組成。該定位測量較方便，數據處理簡單，且適用性強。

圖1 RTK定位技術測量示意圖

2.2 水下地形測繪作業方式

傳統的水下地形測繪的作業方式有以下三種方式：①人工手持RTK下水測量；②皮劃艇搭載測深儀；③有人船側邊懸掛式。三種方式適應不同的環境，也有著各式的優缺點。

1）人工手持RTK下水測量：此種方式適合淺水區域水下地形測量，成本低（無需測深儀，無需其它輔助設備），機動性強。但人員的安全得不到保障，精度方面受人為影響較大，深水區域無法采用此種方式，一般不采用此種測量方法。

2）皮劃艇搭載測深儀：此種方式適合靜水窄河測量。皮劃艇相對來說，攜帶方便，下水前進行充氣即可。適合中小靜水河流水下地形測量，成本相對較低。因皮劃艇較小，側邊比較圓潤，測深儀難以穩定固定，且人員太多，相對船體太小，不是很安全。

3）新型水下地形測量方式—無人船：無人船用來進行水下地形測量已然被大眾所接受，作為水下地形測繪方式的一種補充，在很大程度上替代了傳統的作業方式。

傳統水下地形測量作業方式有以下幾個問題：①由于有人船的吃水問題，一些淺灘，灘涂無法到達，導致無法保證水域的全覆蓋測量；②有人船測量時，很難保證船體穩定，易產生晃動移位，導致測量精度降低和位置偏移；③某些復雜環境，對船和人有危險，安全性得不到保證；④有人船或者人工涉水測量，容易造成測量區域漏測，少測。傳統水下測量作業方式存在上述這些問題，無人船測量系統在這種背景下應運而生，與傳統水下測量方法相比，無人船具有機動、靈活、安全性高的特點，可在環境復雜、工況惡劣的水域作業。

在水下地形測繪中，便攜式多波束測量無人船采用無人測量船作為測繪平臺，以無人駕駛遙控船為載體，集成控制系統、動力推進系統、無線通訊系統、定位導航系統、測深系統等多個系統，快速、精確地獲取水下地形數據，工作更加便捷高效。便攜式多波束測量無人船，主要為庫容測量、建筑水下部分掃測和航道測繪等應用，提供一種兩人即可實施的智能化自動化解決方案，無需租船、快速部署，采集數據成果可靠。每一艘無人船均具備獨立的信息綜合處理能力和決策能力，意味著這并不是一艘簡單的“遙控船”，而是匯聚了自主航行、感知避障、協同控制、系統集成、平臺設計等多項自主核心關鍵技術的多波束測量無人船。單船即可根據布設的測繪測線，自主航行至作業區域，依照任務指令工作，實現無人化、自主化測量，測量過程中不再需要人為干預。相比傳統人工測繪方式，成本更低，作業效率、精度更高。傳統的水下地形測量成果為二維的水下地形圖，新型水下地形測量技術可生產三維的水下地形成果，相較于二維水下平面圖，應用領域更加的廣泛，主要應用于河道和航道測量、港口測量，也可應用于生態環境調查、疏浚通航、水下考古等領域。

3.實例應用分析

3.1 實例概況

本文研究實例為廣東省韓江高陂水利樞紐工程航道疏浚工程。韓江高陂水利樞紐工程船閘主體已基本完工，為保證通航安全，在正式通航前應對該段河道航槽范圍進行航道硬式掃床，主要技術參數如下：采用1980西安坐標系，珠江基面高程系。上游掃床河床底標高24.15米，下游掃床河床底標高20.15米，下游航道擴挖臨時航道掃床河床底標高23.00米。

掃床范圍：①上游航道疏浚（船縱0-293～船縱0-678）：掃床長度385米，掃床寬度41.76～70.40米；②下游航道疏浚（船縱0+599～船縱0+658）：掃床長度59米，掃床寬度41米；③下游航道擴挖臨時航道：坐標角點（XHD1～XHD14）：掃床長度963米，掃床寬度40米。

3.2 測量結果分析

掃床機具：機動船1艘、掃床桿3條（豎桿2條各7米，橫桿1條6米）、GPS定位儀1套、測深儀1套。掃床工序：擺設GPS定位儀基站：基站設于T04-1控制點，檢查點T04-2。經校核，平、高精度誤差符合《水運工程測量規范》要求。測深儀：測深儀校核平面坐標后調入掃床計劃線，掃床重疊寬度控制在0.5～1.0米，掃床計劃線間距為6米。根據測深儀上的掃床計劃線指揮掃床船航行，掃床過程對掃床重疊寬度超限的進行補掃。標尺入水深度根據實測水位變化調整，確保掃床數據準確。

基于此開展水下測量任務，獲取實測水位：上游航道疏浚范圍 26.95米～2 7.3 6 米；下游航道疏浚范圍25.13米；下游航道擴挖臨時航道范圍24.95米～25.13米。標尺入水深度：上游航道疏浚2.8米～3.21米；下游航道疏浚4.98米；下游航道擴挖臨時航道1.95米～2.13米。將水深取樣界面導入電腦測量進行分析，獲得水深取樣界面圖，如圖2所示。根據標尺入水深度＝實測水位－河床底標高，可得出河床底標高，據此導入地形軟件，可獲取航道測量圖云，見圖3，該成果表明本次掃床測量范圍內，航道內未發現淺點，水下航道地形可滿足安全通航條件。

圖2 水深取樣界面

圖3 航道測量云圖

4.結語及建議

本文通過對韓江高陂水利樞紐河道航槽范圍進行航道硬式掃床的水下測量工作，采用便攜式多波束測量無人船獲取了航道測量成果，實現了水下高效大面積測量，節省人力投入，成倍提升工作效率。探索符合水利樞紐航道實際的，可復制、可推廣的近岸海域水下地形測量經驗，為推動航道開發和發展提供基礎保障，也為全面鋪開水下地形乃至內陸水下地形測量提供數據支撐及技術保障。所提交的水下地形圖、三維地形建模成果等測繪數據，將為地區的綜合開發、環境保護、海洋產業布局等提供基礎測繪支撐。