劉士付

（山東正元航空遙感技術(shù)有限公司，山東 濟南 250101）

地球大部分區(qū)域被海洋覆蓋，海洋開發(fā)前景廣闊，比如越來越多的海洋工程建設(shè)和航運的需要，以及內(nèi)陸河流、湖泊、水庫等的開發(fā)利用及治理管護，對于水下地形的探測需求將會更多。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位、聲學(xué)探測、數(shù)據(jù)通信、計算機數(shù)據(jù)處理與可視化、圖像學(xué)和圖形學(xué)以及現(xiàn)代測量數(shù)據(jù)處理理論和方法等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，水下地形地貌信息獲取技術(shù)正在向高精度、高分辨率、自主集成、綜合化和標準化方向發(fā)展。文章結(jié)合生產(chǎn)實際，對幾種常見的水下地形測量方法進行探討。

1 水下地形測量基本原理

無論是海洋還是內(nèi)陸河湖的水下地形，相對于陸地地形地貌都是偏簡單的，基本沒有什么建筑物和植被，因此水下地形的測繪主要工作就是定位和水下高程的測繪，個別要求探測水底土質(zhì)或淤泥厚度。由于有水體的阻隔，水下測量要素雖然不多，但是測繪難度不小。在定位方面，基本上多數(shù)是通過GNSS衛(wèi)星進行定位，部分通過傳統(tǒng)的光學(xué)測量定位實現(xiàn)。測繪水下高程時，由于水面高程是易于測量的，多數(shù)通過測量水深實現(xiàn)水下高程的解算。

2 水下地形測量定位方法

2.1 傳統(tǒng)光學(xué)定位方法

在短距離內(nèi)或者GNSS衛(wèi)星信號不好的區(qū)域，可以采用傳統(tǒng)光學(xué)定位方法進行測量，主要儀器有測距儀、經(jīng)緯儀、全站儀等，定位方法有前方交會法、后方交會法、極距法。傳統(tǒng)光學(xué)定位測量法和陸地上測繪方法類似，測站要定位在已知坐標的點上，雖然操作簡單，但是受距離限制明顯，在水上測量難度也比陸地上大。

2.2 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位方法

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）進行測量定位是目前測量應(yīng)用最廣泛的定位方法。它的定位非常精準，采用的是某一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時間的觀測結(jié)果，以此形成定位系統(tǒng)的精準度。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。目前主要的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

可以利用GNSS開展測區(qū)的控制網(wǎng)布設(shè)，進行靜態(tài)測量平差解算控制點坐標，一般采用RTK作業(yè)模式?；鶞收就ㄟ^數(shù)據(jù)鏈將其觀測值及測站坐標信息一起傳送給流動站，接收機將接收到的衛(wèi)星信號和收到的基準站信號實時聯(lián)合解算，求得基準站和流動站間坐標增量。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機。這對于應(yīng)用到移動的船舶上測量定位精度方面是基本不受影響的，同時也是應(yīng)用最廣泛的測量定位方法。

2.3 無線電測量定位方法

無線電定位是通過直接或間接測定無線電信號在已知位置的固定點（岸臺）與船之間傳播過程中的時間、相位差、振幅或頻率的變化，確定距離、距離差、方位等定位參數(shù)，進而用位置線確定待定點位置（如船位）的測量方法。多應(yīng)用于海洋的測量定位中，測量定位方式分為測距定位和測距差定位。測距定位精度高，但作用距離短，接受船數(shù)量也受限。測距差定位作用距離長，接收船臺數(shù)量不受限，但是定位精度差，且存在多值性的問題。

3 水底高程測量方法

3.1 測深桿、測深錘

這是最為傳統(tǒng)的測量水深的測量方法，原理是先測定出水面高程，再利用測深桿或測深錘測量出水深，即可求得水底高程。這種方法一般只能單點測量，效率很低，且測量不均勻，并且工作量很大。但是對于小范圍區(qū)域、水質(zhì)特別渾濁、水草茂盛的水域，采用這種最傳統(tǒng)的測深方法是最為穩(wěn)妥有效的。測深桿可以采用專業(yè)的帶刻度的標尺，條件不允許的也可以采用普通的竹竿或木桿，如果在桿頂部固定一個GPS接收機，量出桿高輸入接收機手簿，則可以像在陸地上測量一樣直接測得水底高程。

3.2 單波束測深儀

單波束測深儀包括數(shù)字化測深設(shè)備、定位設(shè)備、數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備等。定位設(shè)備主要是GPS接收機。測深設(shè)備主要是聲吶，發(fā)射單波束聲波到水底并返回，聲吶接受回波，根據(jù)聲波傳遞時間和速度計算水深。數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)接收和處理，還可以進行測深線布設(shè)、測量數(shù)據(jù)的實時顯示等。分為單頻和多頻，多頻測深儀可以探測淤泥厚度。如果采用的是單波束，在測線之間很有可能會出現(xiàn)障礙物測量有遺漏的現(xiàn)象，這也是常見現(xiàn)象，因此就會影響海圖的可靠性，會使其參照標準降低。常見測探儀的波束都是相對比較寬的，主要原因也是為了實現(xiàn)回波的接收。唯一的不足在于如果海底深度變化快，會讓它的測量結(jié)果不精準。一些比較簡單的設(shè)備，使用范圍會比較廣，如航海保證、海洋開發(fā)這些最基本的水深測量可以實現(xiàn)。但是高精度、需要全覆蓋測量的區(qū)域，一般就很難實現(xiàn)了。對于小范圍水域、河道的測深，單波束測深儀方便快捷，效率高，優(yōu)勢明顯，但是由于是單點測量，對于大面積海域的測量速度依舊太慢。

3.3 側(cè)掃聲吶

側(cè)掃聲吶是基于回聲探測原理進行水下目標探測的，通過系統(tǒng)的換能器基陣以一定的傾斜角度、發(fā)射頻率，向海底發(fā)射具有指向性的寬垂直波束角和窄水平波束角的脈沖超聲波，在觸及海底目標后發(fā)生反射和散射，利用顯示器上顯示各表層圖像的不同特征，經(jīng)過圖像判讀，判別其海底目標特征，用于出露于海床面以上的海底目標探測。側(cè)掃聲吶配備有計算機圖像處理甚至識別系統(tǒng)，可以分析海底目標的大小、形狀、深度等，具有較高的分辨率。但由于側(cè)掃聲吶只能對波束空間進行粗略定向，因此對于海底目標深度不能精確測定，詳細精確探測還得借助潛水員潛摸、單波束測深儀探測、多波束測深設(shè)備掃海等其他辦法輔助。

3.4 多波束測深儀

多波束測深系統(tǒng)是目前水下測深中最先進的儀器之一，發(fā)展應(yīng)用雖然只有幾十年的時間，但其研究和應(yīng)用已達到了較高的水平。多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、速度快、精度高等優(yōu)點。測探技術(shù)之前都是點線狀，現(xiàn)在可以擴展到面狀，最重要的是還可以實現(xiàn)立體方式的測圖。簡單來說，就是把傳統(tǒng)的水下地形測量技術(shù)推向了一個新的高峰。多波束測深有很多優(yōu)點，涉及的具體細節(jié)如下：（1）可以同步很多測深點；（2）測量工作效率比較高；（3）可以全覆蓋測量。以上三個較為突出的優(yōu)點可以很好地實現(xiàn)往常不能實現(xiàn)的測量工作。日常測量工作難度系數(shù)比較大，主要體現(xiàn)在大面積海域、大比例尺的測繪和特殊要求的水道地形測量等。多波束測深現(xiàn)已朝著高精度、智能化、多功能的組合式測深系統(tǒng)方向發(fā)展。

4 水下地形測量新方法

4.1 無人測量船

無人測量船基本的測量原理仍然是搭載傳統(tǒng)的探測系統(tǒng)（單波束或多波束系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶、CCD相機、水下三維激光掃描儀等），但是它是搭載在具有自動控制系統(tǒng)的無人測量船上，可以使人們像操縱無人機一樣開展水下測量獲取測區(qū)水下地形、地貌、水文及水質(zhì)等信息。其優(yōu)點是開展水下測量不需要租用船只將測量設(shè)備再安裝調(diào)試，而且操作機動靈活，缺點是無人船續(xù)航時間短，且抗風浪能力差。

4.2 機載激光測量

機載激光測量已廣泛應(yīng)用于陸地測量，近年來也開始應(yīng)用于水域測量。與聲波探測相比，機載激光探測可以避開海浪的干擾。普通光學(xué)遙感對水體穿透度十分有限，激光測量就不會存在這些問題。機載激光測量有效地克服了傳統(tǒng)測深方式周期長、機動性差、測深精度低、測區(qū)范圍有限等缺點。機載激光測量原理是按照光波在海水中的傳播特性，0.47～0.58μm的藍綠光波段存在一個能量衰減程度相對較小的透射窗口。同時，為了克服入射角所造成的干擾，通常采用較低功率的寬波束脈沖（紅外光）探測水面，采用大功率的窄波束脈沖（藍綠光）探測水底。

5 結(jié)束語

隨著計算機、衛(wèi)星定位、通信、AI等技術(shù)的快速發(fā)展，水下地形測量技術(shù)方法也在向更加簡便、高效、智能、更高精度的方向發(fā)展，以滿足不同用戶的多樣化的需求。文章結(jié)合生產(chǎn)實際，探討了幾種常見的水下地形測量方法，為滿足不同的產(chǎn)品需求，可以選擇不同的水下地形測量儀器和測量方法，為開展相關(guān)的水下測量項目提供有益的參考。