基于工程实例的三维水深测量方法研究

王志彬

摘 要：本文基于湛江港某航道测量工程为研究对象，首先分析了多波束RTK三维水深测量作业模式，进而详细阐述了航道测量的步骤和具体实施方法，包括作业前的准备、声速剖面测量、数据处理与过滤、质量评价等，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：三维 水深测量 声速 多波束

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（b）-0091-02

近年来，随着国家对沿海港口城市综合规划和开发的重视，多波速扫海测量在港口航道的扩建和疏浚维护工程中的应用也日渐增多。本文将重点介绍利用美国产Odom-ES3多波束测深系统结合Trimble双频GPS接收机等在湛江港航道疏浚维护工程中扫海测量的工作情况和关键问题探讨。

1 多波束RTK三维水深测量作业模式

多波束测深系统以其全覆盖、效率高、后处理数据强大的扫海测深特点，结合目前常用的GPS RTK实时定位技术，能够良好地完成水运工程方面的测量任务。其工作原理是：GPS基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信号传输给流动站，GPS流动站通过接收基准站数据，在测量船上实时得出三维坐标；而多波束系统通过与GPS流动站连 接与设置，在秒脉冲PPS（Pulse-Per-Second）技术的协同下自动同步接收并记录实时定位与测深值，见图1。

通过图1各参量的标示及其相互位置关系，可以得出如下：

H（x，y）=T（x，y）-G（x，y）+L （1）

D（x，y）=H（x，y）-Δ （2）

式中，L为GPS天线到换能器距离，为常数值；x，y为水深定位点；D（x，y）为深度基准面的水深值；H（x，y）为高程基准面的水深值；T（x，y）为换能器底面的瞬时水深值，可由多波束系统直接测得；G（x，y）为GPS流动站在高程基准面的高程值，可通过与基准站的连接获得并实时传导给多波束系统；Δ为高程基准面与深度基准面的差值，通常在某已知测区内为常数值。

2 航道测量案例研究

2013年3～4月和10～11月分别对湛江港航道进行了浚前和浚后扫测，目的是检验经过疏浚后各条航道是否已经达到设计水深（均不超过20m）要求，是否满足航道设计通过能力。扫测航道面积约6.9km2，总长度约26km。测深采用Odom-ES3多波束测深系统，主要技术指标为：工作频率：240kHz；扫幅宽度：接收120°×3°，发射120°×3°；有效波束宽度：-0.75°，-1.5°，-3.0°；波束数量：默认480，可达240和120；距离分辨率：0.02%倍的测距；测深范围：0.5～60m。

在正式施测之前，依次完成了控制测量、参数计算、系统安装与调试、系统校准及精度评测等工作；施测过程中进行了声速剖面测量、多波束扫测记录、RTK三维水深测量、多波束中央波束和单波束对已测数据成果的质量检查和精度统计；施测完成后对所测外业成果进行了数据编辑和过滤，然后输出作为图载水深数据供制图使用。

2.1 作业前的准备

（1）航道施测前要综合考虑到海况、天气、测区船舶通行等因素，制定合理的扫测作业进度表，做到既不影响工期又能保证成果质量。（2）由于航道淤积情况不尽相同，航道内、航道边坡及航道边坡外的水深变化明显，因此布设主测深线需根据水深而定，一般1.5～2倍为宜，由航道内向外逐渐加密，做到不多不漏。合理布设测线既能提高专业效率，又能节约成本。（3）多波束系统安装和校准。在测量船上安装多波束测深系统和施测过程中不可避免存在着由于坐标轴平移、坐标轴旋转（横摇、纵倾和航向偏差）引起的系统偏差。为了消除这些系统误差，必须进行两坐标系统之间的平移、旋转校准，以保证测量结果的客观性。

2.2 声速剖面测量

多波束扫测过程中，由于换能器表层声速主要受温度影响，同一地点在不同时间声速也会发生较大的变化。而表层声速的差异将直接影响海底测深精度，导致海底形态的畸变。一般声速剖面测量的地点尽量选择在航道内中心有代表性的水域，单个声速剖面的控制范围小于5km，每日施测前后应各测量一次，以尽可能减小声速变化对测量结果的误差。例如，本次航道测量根据浚前（30天）和浚后（33 天）两次扫测显示，湛江港海域声速主要受温度影响较大，且聲速值随温度降低而减小，而声速每减小10m，测量水深值减小0.1m，这对航道疏浚影响很大。因此，在海上作业过程中，必须尽可能多次测量不同海域的声速剖面。3.3RTK