梁 帥

（遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001）

1 概述

現(xiàn)代化儀器的應(yīng)用為水文事業(yè)的發(fā)展提供了便利性，M9是一種新型的水文河流流量測(cè)驗(yàn)儀器，即聲學(xué)多普勒剖面儀（ADP）系統(tǒng)，它的使用極大地方便了流量測(cè)驗(yàn)，為河流流量測(cè)驗(yàn)節(jié)省了大量的人力、物力。

丹東潮位站水面較寬，最寬處河寬超過1 km。潮水位變化較大，一般每日變幅為4～5 m，受潮水每天漲落影響，河道水流沖刷頻繁，斷面沖淤變化較大，水下斷面復(fù)雜，測(cè)量困難，每次測(cè)量需要耗費(fèi)大量人力、物力，難以保持精度要求。潮位站泥沙含量較大，當(dāng)采用高頻率測(cè)量時(shí)，穿透性差，精度較高；采用低頻率測(cè)量時(shí)，穿透性強(qiáng)，但精度較低。M9能夠在測(cè)量過程中自動(dòng)分配采用某個(gè)頻率的換能器和不同頻率的采樣波束，減少了人為的判斷；同時(shí)M9配備的垂直波束，也能夠滿足高含沙量的水深測(cè)量要求，保證了流量和水深的測(cè)量精度。

水下地形測(cè)量一般要求兩部分，即各斷面點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)和相應(yīng)水深。各斷面的平面坐標(biāo)可通過M9自帶的RTK GPS進(jìn)行定位得到，水深可采用得到的M9垂直波束水深或者底跟蹤平均水深，經(jīng)后期計(jì)算得到每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的具體水深，理論上具有可行性。探索M9在潮位站的水下地形測(cè)量的分析研究，能夠擴(kuò)展M9的應(yīng)用領(lǐng)域，減少潮位站水下地形測(cè)量的難度，同時(shí)減少了各類危險(xiǎn)因素，為水文職工的安全增加了保障。

2 M9簡介及應(yīng)用

M9即聲學(xué)多普勒剖面儀（ADP）系統(tǒng)，一般由各類傳感器、換能器、測(cè)深儀及固定設(shè)備等組成：①傳感器主要包括溫度傳感器、羅經(jīng)傳感器、縱搖傳感器和橫搖傳感器等；②換能器主要包含有4個(gè)3.0 MHz和4個(gè)1.0 MHz的對(duì)稱結(jié)構(gòu)的測(cè)速探頭；③測(cè)深儀包含有一個(gè)0.5 MHz的垂直波束回聲測(cè)深儀；④固定設(shè)備主要指各類集成設(shè)備、電源、通訊設(shè)備等。

M9提供了3種儀器配置，即主機(jī)遙測(cè)模式配置、差分GPS模式配置和實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)（RTK）模式配置。①主機(jī)遙測(cè)模式配置中，主機(jī)PCM中沒有配置GPS模塊，只能采用底跟蹤模式進(jìn)行測(cè)量，在河流有動(dòng)底時(shí)，無法采用此配置或者說測(cè)得的流量數(shù)據(jù)會(huì)偏?。虎诓罘諫PS模式配置中，主機(jī)PCM模塊中配備了差分GPS接收器和外置天線，主機(jī)PCM模塊以10Hz的采用頻率接受DGPS數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)紸DP的內(nèi)置存儲(chǔ)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，之后ADP將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，差分GPS模式配置定位精度為亞米級(jí)，通常在河寬大于20米時(shí)使用；③實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)（RTK）模式配置中，主機(jī)PCM中增加了RTK相關(guān)模塊及擴(kuò)頻無線電臺(tái)，同時(shí)需要在岸邊設(shè)立單獨(dú)的RTK基站；該RTK基站系統(tǒng)主要由RTK GPS接收器、外置的高增益GPS天線、擴(kuò)頻無線電臺(tái)調(diào)制解調(diào)器、外置高增益電臺(tái)天線和三腳架組成；在工作時(shí)岸邊的RTK基站和船上的ADP以10Hz的采樣頻率接收GPS定位數(shù)據(jù)，同時(shí)RTK GPS以1Hz的采樣頻率從RTK基站的擴(kuò)頻無線電臺(tái)給安裝在船體上的主機(jī)PCM提供校正信號(hào)；RTK模式的定位精度能夠達(dá)到±3 cm，精度很高，能夠滿足各類河道流量的測(cè)量要求。

利用M9進(jìn)行潮位站水下地形測(cè)量，其實(shí)質(zhì)是利用M9的實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)（RTK）模式配置，利用GPS采集平面坐標(biāo)，利用M9測(cè)深系統(tǒng)采集測(cè)量水深，并經(jīng)后期數(shù)據(jù)處理得到斷面的三維坐標(biāo)，之后可以利用Excel或Cass成圖系統(tǒng)生成點(diǎn)位坐標(biāo)或水下立體圖形，為水下地形測(cè)量提供新的思路。

3 地形測(cè)量及成果分析

水文中常用的測(cè)量一般有水下斷面測(cè)量和水下地勢(shì)測(cè)量，斷面測(cè)量較為常見，用處較多；水下地勢(shì)測(cè)量較為復(fù)雜，測(cè)量較少。

3.1 水下斷面測(cè)量

水下斷面測(cè)量作為常見的水文測(cè)量，在實(shí)際操作中經(jīng)常遇到。利用M9進(jìn)行水下斷面測(cè)量時(shí)可采用走航法。首先連接好儀器，檢查M9各儀器的狀態(tài)，設(shè)置M9相關(guān)參數(shù)，如磁偏角、換能器入水深、鹽度、篩選距離、水深參考和坐標(biāo)系統(tǒng)等參數(shù)；然后在正式測(cè)量前對(duì)儀器進(jìn)行羅盤校正和系統(tǒng)測(cè)試，待儀器一切正常后才能開始操作。

以丹東潮位站測(cè)量為例，首先確立斷面左右岸的斷面位置，派專人記錄測(cè)量過程中斷面處潮水位的變化過程，按水尺讀數(shù)規(guī)范記錄。RTK鎖定一般需要10 min，確定RTK鎖定后啟動(dòng)斷面測(cè)量。在測(cè)量前讓ADP在岸邊起點(diǎn)?？?，量取精確的換能器入水深，并讓GPS對(duì)起點(diǎn)有足夠時(shí)間進(jìn)行定位，通過計(jì)算機(jī)軟件檢查經(jīng)緯度坐標(biāo)或位置坐標(biāo)；在采集不少于10組數(shù)據(jù)后開始走航，走航過程中應(yīng)保持勻速，并使船速不宜過大，使航跡應(yīng)盡量與測(cè)流斷面線重合，保證斷面的直線性。到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，需等儀器記錄完本次測(cè)量后才能進(jìn)行船頭調(diào)轉(zhuǎn)操作。同時(shí)為保證測(cè)量精度進(jìn)行返回測(cè)量，方法同正測(cè)。在走航測(cè)量過程中走航的起點(diǎn)和終點(diǎn)必須和左右岸的斷面點(diǎn)重合。

測(cè)量結(jié)束后，導(dǎo)出ASCII數(shù)據(jù)，使用RiverSur?veyorLive數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。導(dǎo)出的數(shù)據(jù)坐標(biāo)為經(jīng)緯度格式，在進(jìn)行斷面計(jì)算時(shí)可使用Excel進(jìn)行起點(diǎn)距的計(jì)算和校正。丹東潮位站斷面處測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出經(jīng)處理后結(jié)果見表1。

表1 丹東潮位站水下斷面數(shù)據(jù)處理后結(jié)果表

采用垂直波束水深，結(jié)合換能器入水深度以及測(cè)驗(yàn)過程中水位的變化過程，對(duì)測(cè)量點(diǎn)的河底高程進(jìn)行整理計(jì)算。潮位站平面坐標(biāo)采用RTK模式下的定位坐標(biāo)，如有需要可轉(zhuǎn)換為世界地理坐標(biāo)系統(tǒng)。潮位為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，對(duì)潮位站斷面進(jìn)行往返測(cè)量，并比較每次測(cè)量相同起點(diǎn)距處坐標(biāo)以及起點(diǎn)和終點(diǎn)處坐標(biāo)，并繪制測(cè)量斷面處大斷面合繪圖，進(jìn)行結(jié)果的分析比較。經(jīng)計(jì)算得到的潮位站斷面合繪圖結(jié)果見圖1。

圖1 潮位站水下斷面合繪圖

由圖1可以看出，水下斷面正測(cè)和返測(cè)重合性較好，水下斷面變化一致，斷面連續(xù)性和完整性比較好。因M9數(shù)據(jù)采集比較密集，數(shù)據(jù)采集較快，從導(dǎo)出數(shù)據(jù)來看可以達(dá)到一秒鐘一次，計(jì)算得到的起點(diǎn)距數(shù)據(jù)可以看出每1 m距離就有一組高程數(shù)據(jù)，對(duì)于水下斷面的連續(xù)性變化可以得到很好的控制，同時(shí)采用RTK GPS的測(cè)量配置，定位精度達(dá)到厘米級(jí)，測(cè)量結(jié)果比較可靠。

3.2 水下地勢(shì)測(cè)量

水下地勢(shì)測(cè)量主要包括前期儀器測(cè)量和后期數(shù)據(jù)處理兩方面。利用M9進(jìn)行水下地勢(shì)測(cè)量時(shí)，前期儀器檢查和斷面測(cè)量一致。正式開始以后，需要在劃定的水面范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，儀器走航的密度取決于地勢(shì)的復(fù)雜程度，潮位站水下地形較為復(fù)雜，可以根據(jù)實(shí)際情況相對(duì)走密集一些，其余操作步驟同斷面測(cè)量。

測(cè)量結(jié)束后，導(dǎo)出ASCII數(shù)據(jù)，同樣使用River?SurveyorLive數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。導(dǎo)出的數(shù)據(jù)坐標(biāo)為經(jīng)緯度格式，需要使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件或Arcgis對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行批量處理，以滿足后期數(shù)據(jù)處理的要求。在對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理以后，可以使用南方Cass軟件生成水下地勢(shì)三維模型。首先，將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，建立數(shù)字地面模型，也稱為DTM模型。DTM模型指在一定區(qū)域范圍內(nèi)規(guī)劃格網(wǎng)點(diǎn)或三角網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)（x，y）和其他物性的數(shù)據(jù)集合，如果此地物性質(zhì)是該點(diǎn)的高程z，則此數(shù)字地面模型又稱為數(shù)字高程模型（DEM），本次建立的模型實(shí)質(zhì)為水下DEM模型。然后，繪制等高線，建立三維模型，在模型建立時(shí)需要根據(jù)實(shí)際輸入相關(guān)參數(shù)，最后生成水下DEM模型（見圖2）。

圖2 潮位站水下DEM模型圖

水下DEM模型從能比較直觀的顯示水下地形狀況，對(duì)于了解和掌握受潮水影響和河道沖淤變化的水下地勢(shì)有重要意義。通過M9對(duì)潮位站水下地勢(shì)的測(cè)量以及后期的數(shù)據(jù)處理和分析，能夠建立潮位站斷面附近的“數(shù)字河流”，為水文發(fā)展提供便利。

4 結(jié)語

利用M9進(jìn)行潮位站水下地形測(cè)量具有可行性，測(cè)量數(shù)據(jù)連續(xù)性好，實(shí)時(shí)性高，對(duì)于斷面變化的節(jié)點(diǎn)控制性好，保證了水下斷面測(cè)量的完整性和準(zhǔn)確性。同時(shí)基于RTK配置模式下的M9對(duì)于水面三維坐標(biāo)的采集具有突出優(yōu)勢(shì)，結(jié)合特定軟件處理，后期生成的水下DEM模型能夠直觀的顯示出水下地形的變化情況，對(duì)于水下地形的測(cè)量具有重要的意義。