浅谈水下地形测量技术

聂庆微

摘要：本文简单地介绍了水下地形测量，并且阐述了GPS水下地形测量方法与传统测量方法相比之下的有点，对未来水下测量的方法有了美好的憧憬。

关键词：水下地形测量；传统水下地形测试技术；GPS技术；

中图分类号：Q142.4文献标识码：A 文章编号：

引言

GPS、自动化数字测深仪的应用，以及微机软件的发展促进了水下地形测绘的自动化，并为水下地形测量提供可靠的技术保障，测量的成果不仅是绘制在纸上的地形图，更重要的是提交可共享的数字水下地形信息，即以磁盘为载体的数字水下地形图，这将成为信息时代地理信息不可或缺的重要组成部分。在测量仪器发展的同时，测量方法与手段也在不断发展。3S 技术在测绘科学中的应用日趋成熟，遥感包括卫星遥感和航空遥感，基于遥感资料建立数字模型(DTM)已获得了较多的应用。GPS 是美国研制的军用导航定位系统，20 世纪80年代商品化并推广到民用。GPS 定位方法精度高，方便灵活。GPS 定位技术在测绘行业的应用和普及是测绘科技的一个重大的突破性进展。GPS 已成为测量测绘行业的主要手段，不仅具有全天候、高精度和高度灵活性的优点，而且与传统的测量技术相比，无严格的控制测量等级之分。不必考虑通视，不存在误差积累，可同时进行三维定位等优点，在外业测量方式、误差来源和数据处理方面是对传统测量观念的革命性转变。

1 水下地形测量概述

水下地形测量在水库、港口、码头、桥梁等工程建设中发挥着重要作用，在防洪减灾的应用中也显示出了巨大的经济效益和社会效益，是一项重要的工程建设技术。传统的水下地形测量是利用经纬仪通过前方交会来获取地形点数据，随着GPS技术的迅速发展，水下测量技术也取得了很大的进步，已趋于成熟，基本上定型于“GPS+计算机(含数据处理软件)+测深仪”的测量模式。

水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。定位的作用是不言而喻的，目前的水上定位手段有光学仪器定位、无线电定位、水声定位、卫星定位和组合定位。平面位置的控制基础主要是陆上已有的国家等级控制点，卫星定位如采用差分方式，其岸台亦多采用已知控制点，以求坐标系统的统一。水上定位同时，测量水的深度是确定水下地形的重要内容。测深主要靠回声测深仪进行。利用水声换能器垂直向下发射声波并接收水底回波，根据回波时间和声速来确定被测点的水深，通过水深的变化就可以了解水下地形的情况。

2 GPS水下地形测量方法

随着电子、声纳、计算机软硬件等技术的发展，产生了数字测深仪等测绘仪器，传统的测绘方法因此发生了质的飞跃。数字测深仪作为当前水文行业应用广泛的测绘仪器，是微机与声纳技术结合发展的新型测深仪器。在智能型数字测深仪中采用了声、电、磁、机的最新科学成果。先进的测深仪均以U盘、内存或掌上电脑的方式记录数据，具有双路传输功能，可以与计算机或掌上电脑进行数据互传，也可以依靠笔记本电脑指令进行工作。以数字测深仪为代表的智能化、数字化仪器是水下测量仪器今后的发展方向。有了数字测深仪等先进仪器和GPS技术的大力支持，就可以建设三维数据采集、传输、处理的自动化测量数据处理系统，将传统大量的繁琐计算等工作交由计算机处理，减轻工作强度又提高了效益．

加快了速度，精度也得到了保证和提高。

2．1 GPS定位技术

GPs即全球定位系统(Global Positioning Sys．tern)，基本原理是卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，利用测距后方交会原理，计算出接收机的三维坐标、运动速度和时间等信息，从而进行起到定位和导航的作用。

目前GPS系统提供的定位精度优于10 In，为了得到更高的定位精度，通常采用差分GPS技术：将1台GPS接收机安置在基准站上进行观测，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPs观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。差分GPS主要分为2大类：伪距差分和载波相位差分，后者的定位精度较高(可达厘米级)，通常用于高精度的测量工程和研究中。

所谓水下地形测量，就是利用测量仪器来确定水下地形点的三维坐标的过程。在“GPS+计算机(含数据处理软件)+数字测深仪”的测量模式中，通过GPs的RTK功能(Real TimeKinematic，即实时载波相位差分技术，是实时处理两个测点载波相位观测量的差分方法)获得水面点的平面坐标及高程，通过测深仪获得该点处的水深，最终解算出与该点垂直对应的水下地形点的三维坐标。

2．2测深仪的工作原理

测深仪是一种单波束测深设备，工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离。按照使用声波频率的个数，可分为单频和双频。单频测深仪仅用于一般的水深测量，双频测深仪可以同时测量淤泥表面深度和积岩深度，从而获得淤泥厚度，故后者还可以用于淤泥土方计算。测深仪需输入吃水深度、声速以及选择合适的量程档位等。吃水深度可以直接量取，而声波在水中的传播速度，随海水的温度、盐度和水中压强而变化。在海洋环境中，这些物理量越大，声速也越大。常温时海水中的声速的典型值为1 500 m／s，淡水中的声速为1450 m／s。所以在使用回声测深仪之前，应根据当时水域的物理特征对仪器声速值加以校正。

2．3 多波束水下地形测量系统一1

多波束水下地形测量系统是由声学仪器、GPS、姿态及数字传感器、计算机及功能强大的软件组成的设备。多波束换能器以一个较大的开角向水下发射声波，同时接收几十束或上百束声波。每发出一个声波，便可在垂直于航线上得到一组水深数据。当测船连续航行时，便可得到一个宽带的水下地形资料。与单波束回声仪相比，多波束测深仪最大的优点是测点多、全覆盖、精度高、能够准确全面地反映水下地形起伏变化情况。

3 小结

GPS水下地形测量与传统的方法是相互联系的，都是进行平面定位的基础上进行水深测量以此进行对水底地形的测量，测量的基本原理是相同的，同时，在一些特殊地区，比如水深小于2 m的区域用传统方法比如杆测法也是比较方便也是精度较高的。GPS水下地形测量与传统的方法相比具有速度快，精度高，节省人力无力，测量方便等优点，GPS、自动化数字测深仪的应用，以及微机软件的发展，促进了水下地形测绘的自动化，并为水下地形测量提供可靠的技术保障，测量的成果不仅是绘制在纸上的地形图，更重要的是提交可共享的数字水下地形信息，即以磁盘为载体的数字水下地形图，这将成为信息时代地理信息不可或缺的重要组成部分。

结束语

综上所述，需求指引发展，发展创造需求，测深系统的集成是必然趋势。 GPS以及一些数字式测深仪相结合的新型测深系统不断完善和应用，使测量系统有一个美好未来。

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。