張建軍 樊 云 李劍坤

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050;2.長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北宜昌 443000)

瓊州海峽位于廣東省雷州半島和海南島之間，西接北部灣，東連南海北部，呈東西向延伸，海峽東西長(zhǎng)約80 km，南北平均寬度為29.5 km。瓊州海峽跨海工程是連接海南與內(nèi)地之間的運(yùn)輸通道，此項(xiàng)目跨海長(zhǎng)度約23 km，中間無(wú)過(guò)渡小島，水深，地質(zhì)條件復(fù)雜。為了給通道設(shè)計(jì)以及海床演變分析、通航論證、海域使用論證、環(huán)境保護(hù)評(píng)價(jià)、潮流數(shù)學(xué)模型專(zhuān)題等研究提供水下地形基礎(chǔ)資料，需進(jìn)行跨海通道附近大范圍、大比例尺水下地形測(cè)量。本文簡(jiǎn)單闡述無(wú)驗(yàn)潮模式下多波束水下地形測(cè)量的基本原理，并結(jié)合瓊州海峽跨海工程應(yīng)用說(shuō)明該模式的實(shí)施步驟。

1 GPS RTK定位技術(shù)

常規(guī)工程水下地形測(cè)量采用交會(huì)法或極坐標(biāo)法確定水面測(cè)點(diǎn)的平面位置，這種方法受限于觀測(cè)條件，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，作業(yè)效率低，測(cè)繪成果精度較低。隨著GPS RTK定位技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，利用這種技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)測(cè)量點(diǎn)定位結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)改正，可計(jì)算出載體測(cè)量船在航行過(guò)程中的精確三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)水面測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)導(dǎo)航軟件以圖形和數(shù)字的方式顯示測(cè)量船的各種導(dǎo)航信息。

2 多波束無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量原理

海底工程地形測(cè)量需測(cè)量海底平面位置和高程，而海底高程測(cè)量是通過(guò)水面高程和水深測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。GPSRTK技術(shù)能實(shí)時(shí)提供水面測(cè)點(diǎn)的三維大地坐標(biāo)，水面測(cè)點(diǎn)通過(guò)高程異常實(shí)時(shí)改正，可求得測(cè)點(diǎn)高精度瞬時(shí)高程值。在多波束測(cè)深儀問(wèn)世前，水深通過(guò)回聲測(cè)深儀、鉛錘或測(cè)深桿等手段獲取，此類(lèi)方法是單點(diǎn)水深測(cè)量;而多波束測(cè)深系統(tǒng)是對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)一定范圍進(jìn)行無(wú)遺漏掃測(cè)，能同時(shí)、快速、精確測(cè)出沿航線(xiàn)一定寬度內(nèi)上百個(gè)水下測(cè)點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)，其測(cè)深原理如圖1所示。

圖1 多波束測(cè)深原理

3 實(shí)例

瓊州海峽跨海通道多波束水下地形測(cè)量的作業(yè)系統(tǒng)主要由Trimble R8 GNSS雙頻接收機(jī)、SeaBat 8101多波束測(cè)深系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信鏈及Hypack專(zhuān)業(yè)軟件等組成。由于水域測(cè)量范圍將近500 km2，項(xiàng)目實(shí)施前，必須進(jìn)行周密細(xì)致的布置，制定切實(shí)可行的質(zhì)量保證措施。

3.1 資料準(zhǔn)備

利用測(cè)區(qū)已有成果資料，包括坐標(biāo)系統(tǒng)、控制點(diǎn)、既有水下地形圖、水文等資料，分析、計(jì)算測(cè)區(qū)范圍內(nèi)必要的技術(shù)參數(shù)，完成的主要工作如下。

高程異常模型的建立:在測(cè)區(qū)兩岸各收集了兩個(gè)高等級(jí)的平高控制點(diǎn)，分別位于測(cè)區(qū)附近。由于測(cè)區(qū)范圍大，項(xiàng)目采用分段式作業(yè)模式，在測(cè)區(qū)兩岸各均勻增設(shè)4個(gè)C級(jí)平面控制點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行三等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，使用TGO軟件計(jì)算測(cè)區(qū)高程異常值參數(shù);用10 cm的等高距，建立測(cè)區(qū)等高程異常分布圖和高程異常模型文件。

測(cè)深線(xiàn)布設(shè):測(cè)深線(xiàn)包括主測(cè)深線(xiàn)和檢查線(xiàn)兩部分。主測(cè)線(xiàn)布設(shè)主要考慮測(cè)線(xiàn)的間隔和測(cè)線(xiàn)方向，要求線(xiàn)間數(shù)據(jù)重復(fù)率大于20%。檢查線(xiàn)基本按垂直主測(cè)線(xiàn)方向，其工作量按主測(cè)線(xiàn)總量10%的比例布設(shè)。

3.2 系統(tǒng)安裝

船體獨(dú)立坐標(biāo)系的建立:為了確定波束的空間關(guān)系和波束腳印的空間關(guān)系，需建立船體獨(dú)立坐標(biāo)系，其原點(diǎn)位于換能器的中心位置，x軸指向船的航向，z軸垂直向下，y軸指向側(cè)向，與 x、z軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。

設(shè)備安裝:多波束測(cè)深系統(tǒng)中配置了高精度的運(yùn)動(dòng)傳感器和光纖羅經(jīng)，安裝光纖羅經(jīng)時(shí)箭頭方向應(yīng)與測(cè)船航行軸線(xiàn)相同并保持平行，其他設(shè)備按照其對(duì)外部環(huán)境要求，安置在安全、方便、穩(wěn)定、可靠的位置上。

3.3 系統(tǒng)校準(zhǔn)

多波束換能器、傳感器、GPS天線(xiàn)等安裝完成后，必須精確測(cè)定它們之間的相互關(guān)系，并輸入到多波束采集軟件中。

SeaBat 8101多波束系統(tǒng)能同時(shí)接受多波束、GPS、GYRO、MRU四種信息，各傳感器的時(shí)間同步性、安裝的位置、角度等對(duì)測(cè)量成果精度均產(chǎn)生影響，需要對(duì)這些偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)采集一系列特定測(cè)線(xiàn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到系統(tǒng)的延遲、縱偏、橫偏等校正參數(shù)。

聲速改正:采用SVPLS型號(hào)聲速剖面儀，作業(yè)期在測(cè)區(qū)進(jìn)行聲速采集，獲取從海水表面至海底的溫度和聲速數(shù)據(jù)，并對(duì)比儀測(cè)水深與錘測(cè)水深，對(duì)測(cè)量深度成果進(jìn)行改正。

3.4 數(shù)據(jù)采集

多波束系統(tǒng)設(shè)備安裝和調(diào)試完成，并在分段測(cè)區(qū)進(jìn)行了必要的校準(zhǔn)，便可進(jìn)入系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話(huà)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)量，主要完成以下的操作:

①為測(cè)區(qū)定義測(cè)量名稱(chēng)，選擇坐標(biāo)系統(tǒng)及投影方式;

②設(shè)置各數(shù)據(jù)接口的參數(shù);

③輸入各傳感器的相對(duì)坐標(biāo)和各項(xiàng)校準(zhǔn)值;

④輸入測(cè)線(xiàn)號(hào);

⑤開(kāi)始多波束發(fā)射并選擇記錄。

在數(shù)據(jù)采集時(shí)，需通過(guò)計(jì)算機(jī)窗口界面對(duì)掃測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，主要的內(nèi)容如下:

①以數(shù)字和圖形兩種方式顯示條帶覆蓋寬度，監(jiān)視相鄰條帶的寬度變化，達(dá)到全面覆蓋的目的;

②調(diào)控波束信號(hào)增益和功率，保證波束質(zhì)量良好;

③顯示每個(gè)發(fā)射脈沖的水深橫剖面，對(duì)比中央波束和邊緣波束的水深變化，檢測(cè)聲速剖面改正的有效性;

④顯示水深瀑布圖，可以立刻知道水底是否有障礙物。

每天外業(yè)測(cè)量結(jié)束后，應(yīng)再次現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，及時(shí)將外業(yè)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件包能使用的數(shù)據(jù)格式。

3.5 數(shù)據(jù)處理

對(duì)實(shí)時(shí)采集的多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，剔除或改正定位數(shù)據(jù)中的突跳點(diǎn)、航向異常點(diǎn)后，使用CARIS軟件對(duì)多波束水深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、濾波、數(shù)據(jù)回放、聲速改正、清除不合格數(shù)據(jù)等精處理，采取10 m×10 m網(wǎng)格抽稀，生成測(cè)區(qū)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，輸出測(cè)區(qū)海底數(shù)字地形文件。

3.6 精度評(píng)估

為了評(píng)估多波束本身以及各傳感器安裝、校準(zhǔn)、水位改正、聲速改正等對(duì)測(cè)量結(jié)果的綜合影響，本次外業(yè)掃測(cè)成果質(zhì)量以檢查線(xiàn)與主測(cè)線(xiàn)交叉點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，實(shí)測(cè)檢查線(xiàn)48條，主測(cè)線(xiàn)共470條，利用兩線(xiàn)相同區(qū)域內(nèi)共489 880點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，通過(guò)Hypack軟件計(jì)算，檢查線(xiàn)與主測(cè)線(xiàn)測(cè)量成果的算術(shù)平均偏差為0.19 m(標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.59 m)，滿(mǎn)足技術(shù)設(shè)計(jì)方案的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

以瓊州海峽跨海通道工程水下地形測(cè)量項(xiàng)目為應(yīng)用實(shí)例，分析了大面積海域無(wú)驗(yàn)潮模式下多波束水下地形測(cè)量具體實(shí)施的步驟和經(jīng)驗(yàn)。海域中的工程水下地形測(cè)量項(xiàng)目具有測(cè)區(qū)范圍廣、工作環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)測(cè)量?jī)x器設(shè)備，工作實(shí)施管理，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)人員專(zhuān)業(yè)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)后處理等方面要求極高，在實(shí)際應(yīng)用中需不斷摸索、總結(jié)，充分發(fā)揮多波束測(cè)深系統(tǒng)的優(yōu)越性。

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