劉風(fēng)學(xué),代永輝,馮 浩,王志強(qiáng)，高 源

(黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局，山東 濟(jì)南 250108)

濰坊港西港區(qū)位于壽光市羊口鎮(zhèn)北部的小清河下游南岸，港口距離河口約10.0～20.0 km，西港區(qū)分為羊口作業(yè)區(qū)和壽光作業(yè)區(qū)。羊口作業(yè)區(qū)現(xiàn)有5個(gè)3000～5000 t級泊位，壽光作業(yè)區(qū)處于起步階段，已建成9個(gè)5000 t級泊位。濰坊港西港區(qū)進(jìn)出港航道目前利用天然水深通航，僅能滿足吃水不超過4.2 m的船舶乘潮進(jìn)出港。本工程按5000 t級單向航道進(jìn)行疏浚、整治。設(shè)計(jì)航道自13#泊位水域東邊線起，疏浚至-8.3 m，長度約28.0 km， -5.0 m等深線以外航段航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-8.3 m，通航寬度110.0 m；-5.0 m等深線以內(nèi)航段航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-7.9 m，通航寬度96.0 m。根據(jù)本海域的泥沙淤積特性，在航道的南、北兩側(cè)建設(shè)防波擋沙堤，防波擋沙堤總長度為39.4 km，其中北防沙堤長度為19.8 km，南防沙堤長度為19.6 km。測量范圍需覆蓋工程范圍并略有富余，同時(shí)兼顧航道平面方案比選需要，測量范圍西起壽光港現(xiàn)有13#泊位以西100.0 m，東至中港區(qū)航道邊線，其中K1～K15所圍區(qū)域?yàn)橥扑]方案測量范圍，測量面積約40.9 km2，測圖比例1∶2000；K4-B1-B2-K5和B3-B6所圍區(qū)域?yàn)榭紤]方案比選和遠(yuǎn)期規(guī)劃所需要的測量范圍，測量面積共23.6 km2，測圖比例1∶10 000(見圖1)。

1 淺海灘涂地形測量

對于淺海灘涂地形測量而言，就是根據(jù)測深儀和GNSS RTK聯(lián)合施測水下地形的曲折變化，淤泥表面高程。但是，普通水下地形測量只需根據(jù)水溫改正聲速，而海洋水下地形測量需根據(jù)鹽度、水溫改正聲速。

1.1 此次用于淺海灘涂地形測量的儀器

GNSS基站一套、GNSS RTK流動(dòng)站接收機(jī)三套、GNSS無線中繼站電臺(tái)一套[1]、兩套數(shù)字測深儀、兩臺(tái)計(jì)算機(jī)和兩套水上導(dǎo)航測量軟件。常用輔助儀器、測具包括：聲速儀、鹽度計(jì)、水溫計(jì)、測深桿、鋼卷尺、水深-聲速校正器等。

1.2 基準(zhǔn)點(diǎn)

用于架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站的控制點(diǎn)，平面等級一般為D級,地面不易沉降的地區(qū)，基點(diǎn)埋設(shè)較穩(wěn)固的，可放寬到E級。高程為三等水準(zhǔn)點(diǎn)，測定或校測時(shí)間不超過三年。校測點(diǎn)平面一般為E級；高程為四等，應(yīng)為當(dāng)年測定或校測的水準(zhǔn)點(diǎn)。甲方在目前港區(qū)范圍內(nèi)提供了8個(gè)地方坐標(biāo)系高等級控制點(diǎn)。

1.3 坐標(biāo)值參數(shù)求解

用測區(qū)內(nèi)已知控制點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)與測區(qū)的測量坐標(biāo)系解算出兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。 轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性將直接影響定位精度[1]， 因此，已知點(diǎn)最好布設(shè)在測區(qū)四周和中心，由圖1可以看出此次測量范圍比較狹長，最遠(yuǎn)處伸入內(nèi)海30.0 km，甲方提供的控制點(diǎn)不能有效控制測區(qū)。

圖1 參數(shù)求取坐標(biāo)點(diǎn)位置示意圖

為了控制測量范圍，求得良好的轉(zhuǎn)換參數(shù)，利用山東COSS(▲表示)，北上黃河入?？诘臇|南角墾東12-0#海油陸采平臺(tái)上布點(diǎn)，沿渤海灣由北向西南-向南-向東南沿程依次布點(diǎn)(兩點(diǎn)間距約3.0 km)到昌邑縣下營鎮(zhèn)，共布點(diǎn)50余個(gè)。在山東COSS管理部門幫助下，舍棄精度較差的7個(gè)COSS點(diǎn)，加上甲方提供的8個(gè)地方坐標(biāo)系高等級控制點(diǎn)(■表示)，共用51個(gè)控制點(diǎn)，求得一套精度較高、完整的七參數(shù)。

表1 GPS基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解最大殘差

2 測深原理

用豎直波束回聲儀進(jìn)行水深測量是目前水深數(shù)據(jù)采集的主要手段，它安裝在測量船底的發(fā)射換能器垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速c在水中傳播到水底后產(chǎn)生回波，回波被接收換能器所接收，發(fā)射聲波與接收回波的時(shí)間為t，則換能器表面至水底的距離(水深)為H=1/2·ct。

2.1 換能器安裝要求

(1)測深儀換能器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳，安裝在距船頭1/3～1/2船長處，靜態(tài)吃水深度以0.3～0.5 m為宜，以避免和減小測船航行產(chǎn)生的氣泡干擾[2]。

(2)換能器可固定在測船底部或船舷一側(cè)，尖頭逆向流向[2]。

(3)盡可能保持換能器安裝桿處于垂直、穩(wěn)定狀態(tài)，防止出現(xiàn)松動(dòng)、搖晃和傾斜、俯仰現(xiàn)象[3]。

(4)水面平靜時(shí)，換能器可盡量減小吃水，以最大限度地發(fā)揮測深儀作用。但換能器吃水不得過小，尤其在風(fēng)浪較大時(shí)要適當(dāng)加大吃水，以免產(chǎn)生氣泡影響測深的準(zhǔn)確性[3]。

(5)GNSS天線中心應(yīng)與換能器中心設(shè)置在同一條鉛垂線上[3]。

2.2 安裝GNSS天線和測深儀換能器

安裝GNSS天線和測深儀換能器的連接桿，應(yīng)固定長度并標(biāo)有距離刻度，設(shè)置換能器底端為0.00 m。

2.3 天線高量取

天線高可以用鋼卷尺由天線底部量至水面，或根據(jù)連接桿頂端和水面的讀數(shù)相減，然后按式(1)計(jì)算：

L=h+p

(1)

式中：L為天線高，m；h為天線底部至水面的垂直距離，m；p為根據(jù)所用儀器，填寫天線座底部到相位中心的常數(shù)，m。

2.4 測深儀靜態(tài)換能器入水量取

換能器靜態(tài)入水，應(yīng)用鋼卷尺由水面量至換能器底部，或直接在安裝桿上讀取。

2.5 天線高和吃水的關(guān)系

任何情況下，天線高加吃水應(yīng)等于天線相位中心至換能器底部的距離。如天線高量測不準(zhǔn)，則會(huì)影響水面高程；吃水量測不準(zhǔn)，則會(huì)影響水深數(shù)值，但最終不會(huì)影響最后計(jì)算的河底高程。天線高和吃水的關(guān)系，可用式(2)表示：

R=L+d

(2)

式中：R為天線相位中心至換能器底部的距離，m；d為換能器吃水，即水面至換能器底部的垂直距離，m[2]。

3 水下地形測量的具體實(shí)施

(1)此次測量在確定水下地形測圖規(guī)格后，應(yīng)用水深測量的專用軟件，根據(jù)甲方提供的坐標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，先確定了水下地形圖的測量范圍與比例尺，在甲方提供的坐標(biāo)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，兩點(diǎn)間放線。如(K1-K2)間放直線，再根據(jù)比例尺要求(1∶2000)，平行(K1-K2)線，依次間隔25.0 m，實(shí)施測量。其他轉(zhuǎn)折點(diǎn)依此類推。設(shè)定測量斷面線后，將斷面數(shù)據(jù)導(dǎo)入測量手簿，根據(jù)放樣斷面線把測量船導(dǎo)航至斷面位置，再按指定的時(shí)間(或者間距)進(jìn)行測點(diǎn)的定位與測深，并實(shí)時(shí)修正測量船的航向。

(2)根據(jù)所求解的參數(shù)，測量時(shí)分別以部分已知點(diǎn)為基站點(diǎn)，并對其他已知點(diǎn)進(jìn)行校核，其校測結(jié)果在測區(qū)范圍內(nèi)精度較高，同時(shí)也說明參數(shù)求算結(jié)果符合測區(qū)的實(shí)際情況。

GNSS RTK測量：首先基站架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，架設(shè)基站時(shí)嚴(yán)格整平對中，在量取天線高時(shí)，從三個(gè)方向分別進(jìn)行量取，其互差不大于3.0 mm，取其平均值，然后啟動(dòng)基站。各流動(dòng)站啟動(dòng)后逐個(gè)在已知點(diǎn)進(jìn)行檢校，其檢校結(jié)果與已知結(jié)果進(jìn)行對比，校核結(jié)果符合規(guī)范要求，則進(jìn)行測量，誤差偏大時(shí)，查找原因，重新校核，直至符合規(guī)范的要求為準(zhǔn)，表2為已知點(diǎn)GPS校測記錄，進(jìn)行分析說明。

表2 已知點(diǎn)GPS校測情況

(3)基站架設(shè)、GNSS RTK校樁，校核結(jié)果符合規(guī)范要求，在測船上連接測深儀、測深軟件，進(jìn)行淺海水下地形測量。

此項(xiàng)目我們共安排兩條測船同時(shí)測量，基站架設(shè)在壽光港向海洋伸進(jìn)最遠(yuǎn)、穩(wěn)定的現(xiàn)有碼頭的已知點(diǎn)上；測船A在壽光港現(xiàn)有13#泊位以西100.0 m開始，在測船A上除安裝了GNSS RTK、測深儀、測深軟件等必須的測量設(shè)備，另外安裝了一套天寶PACIFIC CREST無線電中繼站一套，測船A在接收由基站發(fā)來的基站信息的同時(shí)向測船B轉(zhuǎn)發(fā)基站信息；測船B在壽光港現(xiàn)有13#泊位以西15.0 km處開始，測量儀器接收測船A發(fā)來的基站信息。兩船平行向深海推進(jìn)測量。

因海洋上空開闊，無線電傳播可以達(dá)到20.0 km，大半工作量，由兩船平行測量完成，因測船B有跑航時(shí)間，后幾天，測船A擔(dān)當(dāng)無線電中繼站功能。

4 注意事項(xiàng)

(1)GNSS流動(dòng)站接收機(jī)作業(yè)應(yīng)嚴(yán)格遵守國家規(guī)范要求。

(2)連接好儀器及設(shè)置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)之后，應(yīng)對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的作業(yè)前校核，校核誤差符合限差范圍要求后方可進(jìn)行測量。

(3)測深作業(yè)過程中，測船應(yīng)慢慢行駛，航速不宜超過10.0 km/h，且應(yīng)盡量保持穩(wěn)定；測船進(jìn)入淺水水域和接近岸邊時(shí)，航速宜控制在2.0 km/h以內(nèi)。

(4)換能器露出水面時(shí)，嚴(yán)禁啟動(dòng)測深儀，否則可能對儀器造成損壞。

(5)水下地形測量，應(yīng)保證人員和測船安全，根據(jù)風(fēng)浪、潮汐，合理安排作業(yè)時(shí)間，作業(yè)中，如遇大風(fēng)大浪、船只搖擺幅度過大，造成換能器安裝桿傾斜超過3°時(shí)，應(yīng)暫停測深作業(yè)。

5 結(jié)論與建議

(1)測深儀與GNSS RTK通過數(shù)據(jù)同步線相連接，定位、測深、潮位采集高同步進(jìn)行，自動(dòng)電子存儲(chǔ)。因此在外業(yè)完成數(shù)據(jù)采集后，無須等待驗(yàn)潮資料即可使用軟件，及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)成果精確。

(2)測量精度高，數(shù)據(jù)安全可靠，沒有誤差積累。

(3)此項(xiàng)目的實(shí)施、完成，大大提高了測驗(yàn)精度，無驗(yàn)潮站、減少了人員開支。

(4)可以再架設(shè)一套無線電中繼站，測量范圍可以達(dá)到50.0 km。

(5)渤海灣地形成弧形，可以嘗試擴(kuò)大求參范圍，更好的實(shí)施應(yīng)用。在其他海域可以考慮在島嶼上設(shè)點(diǎn)，求得更精確的參數(shù)。

利用GNSS RTK和數(shù)字測深儀聯(lián)合作業(yè)、無驗(yàn)潮測量技術(shù)進(jìn)行水深測量，使得水深測量這項(xiàng)工程變得簡單、方便、快捷、輕松、高效。它徹底改變了以往的作業(yè)模式，是對傳統(tǒng)測量方法的一次重大變革。