钱塘江河口水下地形测量新技术应用进展

段文义,任少华

(浙江省河海测绘院,浙江 杭州 310008)

1 问题的提出

钱塘江河口潮强流急,涌潮汹涌,主槽摆动无常,滩涂涨坍不定,给沿岸防洪防台带来了极大的压力。为了认识钱塘江河床演变规律,有效地治理钱塘江,彻底改变两岸防洪、防台长期被动的局面,提高两岸防灾减灾能力,保障沿岸经济发展,有关部门从1953年开始对钱塘江河口河口水下地形进行定期测量。

随着GPS定位技术、水声测量技术和电子计算机技术的发展,水下地形测绘技术从传统的光学定位、单波束测深、手工数据处理绘图、单一成果时代跨入GPS定位、多种测深手段配合、自动化数据处理绘图、多样化成果的崭新时代。水下地形测量基本工作可以分为定位和测深[1],其中定位包含了平面定位和水位(水面高程)2部分。为了将新技术更好地应用于水下地形测量,有必要对钱塘江河口水下地形测量技术进行梳理和分析,比较新技术的特点与优势。

2 水下地形测量技术回顾

钱塘江河口水下地形测量技术的进步主要体现在定位方法和测量水深方法的改进。

2.1 定位方法

定位工作是水下地形测量的基础,根据测量船离陆地的远近和定位精度的高低可采用不同的定位方法。在卫星定位技术出现之前,钱塘江河口水下地形测量时主要采用光学定位和无线电定位。近二三十年来,随着现代水下地形测量技术的发展,出现了水声定位和卫星定位2种方法。

光学定位主要有前方交会法、后方交会法、侧方交会法和极坐标法等,使用的仪器有经纬仪、六分仪、测距仪和全站仪等。光学定位受距离限制,必须依赖观测者的视力和操作熟练程度,由于水下地形测量是在运动的载体上进行,定位精度不及陆地测量精度高,读数也容易出错,且易受天气等因素的影响,工作难度大。

传统意义上的无线电定位即陆基无线电定位。20世纪90年代初期曾短暂使用。在岸上控制点处安置无线电收发机 (岸台),在船舶等载体上设置无线电收发、测距、控制、显示单位,测量无线电波在船台和岸台间的传播时间或相位差,利用电波的传播速度,求得船台至岸台的距离或船台至两岸台的距离差,从而计算船位。无线电定位多采用圆—圆定位或双曲线定位方式。随着空基无线电定位系统 (即卫星定位)的出现,我国目前已基本关闭了沿海陆基无线电定位系统台链。

水声定位技术是近30 a发展起来的一种海洋测量定位手段。利用水下声学技术,水下声标作为海底控制点,精确联测其坐标,通常由船台设备和若干水下设备组成。钱塘江是举世闻名的涌潮河口,潮大流急,涌潮汹涌,含沙量高,泥沙易冲易积,水声定位方法在钱塘江河口水下地形测量中难以应用。

空基无线电定位即卫星定位,是目前海上定位的主要手段,也是最近20 a来钱塘江河口水下地形测量中最常用的方法。卫星定位系统主要有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、我国的北斗定位系统以及欧洲的伽利略(Glalileo)定位系统。目前广泛使用的是GPS技术,具有全天候、全球覆盖、连续实时、高精度定位等特点。全球任何地点的用户都能利用全球定位系统获得高精度的三维位置、三维速度和时间信息。

2.2 水深测量方法

水下地形测量技术的发展与测深手段的不断完善紧密相关。在发明回声测深仪以前,只能靠测深杆和测深锤测量水深,精度差、效率低。20世纪20年代出现的回声测深仪,是利用水声换能器垂直向下发射声波并接受水底回波,根据回波时间来确定被测点的水深。当测量船在水上航行时,测深仪可测得1条水深线,通过水深的变化,较为直观地了解水下地形地貌。

20世纪90年代初广泛采用数字化测深仪进行水深测量,给水深测量技术带来了革命性的变化。单波束水深测量自动化系统包括数字化测深仪、定位设备(通常为GPS)、数据采集和处理设备、数据采集和处理软件。在自动化测量系统中,测深仪测得的水深数据和GPS测得的定位数据通过COM端口传输到计算机,计算机通过数据采集软件将收到的数据以一定的格式形成电子文件存储到计算机硬盘。外业测量结束后利用数据处理软件剔除假水深,加入仪器改正数和潮位改正,形成水深数字文件,再由软件的绘图模块驱动绘图机自动成图。

3 钱塘江河口水下地形测量新技术应用

钱塘江河口水下地形测量的定位技术采用卫星定位技术,常用DGPS定位、单站RTK定位及网络RTK定位方法;水位观测方法采用验潮和无验潮方法;水深测量采用回声测深技术。

3.1 卫星定位技术

3.1.1 DGPS定位

DGPS定位即差分2卫星定位,是通过建立基准站,观测计算并发送卫星定位改正数,用户站接收并对其测量结果进行改正,以获得更为精确的定位结果。根据差分GPS基准站发送的信息方式的不同可分为4类,即位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分及相位差分。目前,我国沿海地区共建设了22座由航海无线电信指向标构成的RBMDGPS基准台,形成了从鸭绿江口到西沙群岛,覆盖所有沿海港口重要水域和狭窄水道的高精度导航、定位服务网。该系统的基准站测定各颗在视卫星的伪距差分改正数,并通过播发台以最小频移键控调制到无线电信标载波频率上,发给GPS用户。用户接收GPS信号和差分信号便可实现DGPS测量。利用该系统在沿海离岸300 km内可以获得优于5 m(95%置信度)的导航定位精度,距离基准站较近区域可获得优于2 m的定位精度。利用该方法进行水下地形测量的缺点是不能同步测定水位。

3.1.2 单站RTK定位

单站RTK定位技术是GPS载波相位差分技术的一种应用。高精度的RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术[2],能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,精度达到厘米级。在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果。在整周未知数解固定后,即可进行每个历元的实时处理,只要能保持5颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,则流动站可随时给出厘米级定位结果。该方法最大的缺点是必须满足流动站与基准站误差强相关这一假设条件,当流动站离基准站较近(不超过10 km)时,上述假设条件均能较好地成立,此时利用1个或数个历元的观测资料即可获得厘米级精度的定位结果。GPS网络RTK技术能较好地保证厘米级精度的定位结果以及高精度定位结果的连续性。

3.1.3 网络RTK定位

网络RTK技术的基本原理是利用多个基准站构成一个基准站网,由基准站网、数据处理中心、数据通信线路及用户4部分组成。借助广域差分GPS和具有多个基准站的局域差分GPS中的基本原理和方法消除或削弱各种系统误差的影响,从而获得高精度的定位结果。与单站RTK相比,该方法的主要优点为覆盖面广、定位精度高、可靠性强、可实时提供厘米级定位,精度不受距离影响。基准站上配备双频全波长GPS接收机,能同时提供精确的双频伪距观测值,基准站的坐标采用长时间GPS静态相对定位等方法来精确确定。此外,还配备数据通信设备及气象仪器等。基准站按规定的采样率进行连续观测,并通过数据通信链实时将观测资料传送给数据处理中心,数据处理中心根据发送来的近似坐标(可根据伪距法单点定位求得)判断出该流动站位于由哪3个基准站所组成的三角形内。根据这3个基准站的观测资料求出流动站处所产生的系统误差,并播发给流动用户进行修正以获得精确的结果,必要时可将上述过程进行1次迭代。目前网络R TK技术可分为虚拟基站技术(VRS)、主辅站技术(MAC)等。

基于ZJ-CORS的网络RTK技术已从2011年开始在钱塘江水下地形测量中使用,系统可以提供从毫米级、厘米级到亚米级等不同精度的定位与导航服务,该系统信号目前还不能够完全覆盖整个钱塘江河口的测量范围,但已经成为钱塘江河口水下地形测量研究的主流方法。

3.2 潮位测量技术

验潮测量的手段随着仪器设备的更新不断改进,钱塘江河口潮位数据获取难度主要体现在可供设站的位置少,潮流方向总体由东往西,但是湾口南北潮时差、潮高差都比较大。拟在适合的位置(比如王盘山、跨海大桥观光平台等)设立长期遥报潮位站,采用长系列潮位资料研究区域潮汐特征及其相互关系,研究开发满足水下地形测量要求的潮汐变化插值算法。

近岸区域直接采用基于ZJ-CORS的网络RTK技术进行施测,该方法能够在定位的同时实时采集同等精度大地高水位信息,精度达到厘米级。利用全省或专用似大地水准面精化成果,内插获取基于1985国家高程基准的高精度的正常高水位,目前主要研究似大地水准面的精化。

3.3 回声测深技术

在水深条件允许地区,多波束系统以其全覆盖和高精度的特点,在国内外已有取代单波束之势。现代多波束系统向“变频、变角、便携”方向发展,变频是频率可选,在相同水体环境下,不同频率的系统往往有着不同的性能表现,一般而言,低频有着更大的测深范围、更宽的条带覆盖,但通常水深精度相对较低;高频的测深范围较小、条带覆盖较窄,但通常水深精度更高。变角是回波接收角度可变,当用户对如水下管线等关注点进行测量时,这一特性尤为有益。便携是安装使用方便,对于不具备专用测量船的用户而言,为他们使用多波束提供了极大的方便。用户可根据水底目标关注程度的不同,调节同一水深剖面中测深点的分布密度,将更多的测深点集中用于更需关注的区域。

4 钱塘江河口水下地形测量新技术展望

随着科技的不断进步,测量技术和设备更加先进,必将向高智能化、高集成化、去人工干预化方向发展。针对钱塘江河口区域的环境特点,激光雷达技术和综合测量技术将逐渐应用于钱塘江河口水下地形测量中。

4.1 激光雷达技术

随着科学技术的发展,机载激光雷达 (LiDAR)技术得到了广泛的应用,它是一种通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点的三维坐标,实现地表信息提取和三维场景重建的对地观测技术,是集激光扫描仪、全球定位系统 (GPS)、惯性导航系统(INs)3种技术于一体的主动式空间测量系统。利用LiDAR获取的数据经过综合处理可以获得沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果,具有空间与时间分辨率高、动态探测范围大、能够部分穿透植被遮挡、直接获取真实地表高精度三维信息等特点。由于LiDAR系统对环境的灵敏度较低,在三维城市建模、环境监测等领域也都具有广阔的发展前景和应用需求,适合于钱塘江河口滩涂地形测绘。

在水深测量领域,海洋激光测深技术(如美国OPTECH公司研制的 “扫描式航空激光海岸测量仪-SHOALS”)在浅水区域的测深方面,已经取得了良好的效果,是一种极具诱惑力的海洋测深新技术。激光器发射的光束具有声束无可比拟的方向性,激光光束的高分辨率能获得海底的传真图像,从而可以详细调查海底地貌和海底地质,其发射和接受系统借助机载后,具有速度快、覆盖率高、灵活性强的特点。因此,利用机载激光技术进行海洋测深是除船载声纳测深之外的另一种引起广泛重视的水下目标探测手段。机载激光海洋测深的原理与回声测深的原理相类似,海水中存在一个类似于大气的透光窗口 (即海水对0.47～0.58μ m波长范围内的蓝绿光的衰减系数最小,其它波段的光在水中的衰减则较大)[3],利用机载蓝绿激光发射和接收设备,通过从飞机上由激光雷达向下发射高功率、窄脉冲的激光,同时测量水面反射光与海底反射光的走时差,并结合蓝绿光的入射角度、海水的折射率等因素进行综合计算,获得被测点的水深值,再与定位信号、飞行姿态信息、潮汐数据等综合,确定特定坐标点的水深。测深系统借助机载,机动性好,加之采用扫描和GPS全球定位技术,可以满足大面积、高速度、高精度和低成本的现代测深的需要,目前仅适合于浅水 (50 m水深以内)且透明度较高的海域,但其迅速的发展势头将会成为海洋地形测绘的新生力量。

4.2 综合测量系统

钱塘江河口水下地形测量的主要目的是为保护两岸海塘提供基础资料,因此,水陆交汇区域的地形现状非常重要,常规测量方法往往难以获取该区域的无缝连接数据。把多波速系统和激光雷达技术相融合,水下部分采用当前水深测量最先进的多波束测深技术,水上部分采用当前陆域测量最先进的激光雷达技术,两者在当前最先进的POS-MV光纤惯导系统共同支持下,实现水上水下空间数据无缝一体化采集(比如SeaBat7 125 SV2多波束系统和LAND MarkMarine激光扫描系统),能够获取完整的水陆地形数据,满足各类管理与研究的实际应用,也代表着未来一段时期内水陆空间数据一体化获取的发展方向,适合钱塘江河口区域的水下地形测量。

5 结 语

本文通过对钱塘江河口水下地形测量方法的历史回顾,总结了钱塘江河口水下地形测量的新技术主要体现在平面定位方式、垂直基准面定位方式以及水深测量方式3方面。针对钱塘江河口水质和地形特征,短期内可以综合运用船载多波束与激光综合测量系统,依靠网络RTK技术和似大地水准面精化成果获得水下测点的平面位置和水位数据,同时获取水面上的影像数据,实现水上水下空间数据无缝一体化采集。机载激光测深技术以其速度快、覆盖率高、灵活性强等特点极具诱惑力,是海洋测绘今后研究和发展的主要方向。由于受水质和水深因素的影响,目前还无法在钱塘江河口水域应用。

[1]中华人民共和国交通部.JTJ 203—2001水运工程测量规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]中国国家标准化管理委员会.CH/T 2009—2010全球定位系统实时动态测量 (RTK)技术规范 [S].北京:中国标准出版社,2009.

[3]昌彦君.海洋激光测深技术介绍[M].武汉:中国地质大学出版社,2001.