楊伯鋼，張勁松，霍滿軍

(1.北京市測繪設計研究院，北京 100038；2.城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038)

城市湖泊庫容勘測方法對比研究

楊伯鋼1，2，張勁松1，2，霍滿軍1，2

(1.北京市測繪設計研究院，北京 100038；2.城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038)

對使用RTK技術聯(lián)合地質雷達或聲吶測深儀對昆明湖庫容測量進行了對比研究，針對城市湖泊勘測的具體特征分析了兩種方法勘測的原理，總結了兩種勘測方法的共同點和不同點，分析了兩種方法各自的優(yōu)點和缺點，并為其他湖泊庫容勘測工作提出了建議。

地質雷達；聲吶測深儀；RTK；城市湖泊；庫容勘測

一、引 言

城市湖泊在城市蓄水、防澇抗旱、工農業(yè)用水及百姓的日常生活中都起著舉足輕重的作用，湖泊的庫容量和最大水深是湖泊的基礎數據，為準確掌握城市的水利家底，合理分配利用水資源提供了技術保障。北京市擁有大小湖泊38個，湖泊庫容以往都是通過影像圖、設計值和經驗獲得的，沒有進行過系統(tǒng)準確的測量。昆明湖是北京最有名的湖泊，然而作為重要的水源地之一，昆明湖到底有多少水卻沒有一個準確的值。北京市第一次水務普查首先就選擇了勘測昆明湖的庫容量。北京市之前對湖泊進行庫容勘測都是用測深桿選擇一些點進行抽樣測量，該方法效率低，實際定位不準確，勘測成果誤差較大，沒有形成一套快速、準確的科學勘測方法。本文結合北京市第一次水務普查工作對昆明湖使用地質雷達和聲吶測深儀分別進行了研究試驗，總結出一套高效的城市湖泊勘測方法，并重點對比了兩種方法在湖泊測量時各自的優(yōu)缺點，為城市湖泊測量總結了經驗。

二、城市湖泊勘測技術流程

本次勘測昆明湖采用的技術流程主要包括：①采用GPS和全站儀對湖泊岸邊地形進行測繪，湖泊岸邊的地形圖為第二階段的湖底地形勘測提供了參考，并為最后計算庫容提供基礎數據；②利用前期勘測的湖泊岸邊地形圖規(guī)劃航線，使用RTK和測深儀或RTK和地質雷達對湖底地形進行勘測；③勘測湖泊上口最低點的高程和水面高程，湖泊上口最低點高程用于計算湖泊最大庫容量，現(xiàn)有水面高程用于計算現(xiàn)有水量；④對外業(yè)采集數據進行處理，并用Autodesk公司出品的AutoCAD Civil 3D軟件計算庫容量和水容量。

在湖泊勘測過程中，第二階段的湖底地形勘測是工作的重點，同時也是難點。本次使用網絡RTK和測深儀或地質雷達聯(lián)合作業(yè)進行湖泊勘測，GPS實時保持固定解狀態(tài)，能夠非?？焖?、精確地得到的三維坐標信息，解決了水上測繪定位不準，航向易偏的問題。

三、RTK聯(lián)合地質雷達勘測昆明湖湖底地形

地質雷達是通過發(fā)射天線往水中發(fā)射高頻帶寬脈沖電磁波，電磁波在水中傳播過程中遇到介電常數不同的介質時，會在兩種介質的交界面產生反射，其反射系數為

式中，R為反射系數；ε為介質的介電常數。接收天線接收反射回來的電磁波，并在電腦中進行記錄，由此生成了雷達原始數據。純水的介電常數為81，空氣的介電常數近似為1，電磁波從空氣入射至水中其反射系數為0.8，能量損失嚴重。因此在使用雷達測量湖底深度時盡量使雷達發(fā)射天線緊貼水面。

雷達真實記錄的是電磁波從發(fā)射到接收這段時間差Δt，使用該時間差的一半乘以電磁波在水中的傳播速度即為發(fā)射天線底部至湖底的距離h，即

式中，c為光速。而雷達最大探測深度理論上為10倍波長，即

根據式(3)可知，最大探測深度H與使用的天線及介質的介電常數有關。當測量水深時，水的介電常數無法改變，因此探測深度與所使用天線的頻率f成反比。

在實際勘測時，為了準確確定電磁波在昆明湖湖水中的波速，先擬定一個數值進行勘測，并在雷達勘測位置使用測深桿進行驗證，對比測深桿測得的水深和雷達測得的水深，以此對波速進行校正，以得到準確的波速值。測量之前將掃描間隔設置為0.1 m，雷達天線的工作速度可以達到電瓶船最大運行速度；初步測量時默認水的介電常數為81，此時波速大約為33 mm/ns，通過現(xiàn)場采用測深桿校正波速證明實際波速與默認值近似；昆明湖水深最大處不超過6 m，并且本次試驗使用的是200 m天線，因此將時窗設置為150 ns即可滿足要求。由于水體、淤泥和河底三者介電常數數值相差較大，從雷達圖上可以清楚地看到各個層之間的分界面(如圖1所示)。

圖1 昆明湖水下地形實測雷達圖

四、RTK聯(lián)合聲吶測深儀勘測昆明湖湖底地形

聲吶測深儀是通過探頭往水下發(fā)射聲波信號，由于聲波是機械波，當聲波在傳播過程中遇到波阻抗不同的介質時會在界面產生反射，反射遵循斯奈爾反射定律。影響波阻抗的因素主要是介質的密度和傳播波速。由于昆明湖的水深不超過6 m，因此水深對波速的影響不大。在實際勘測中通過測深桿測得的水深和聲吶測深儀測得的水深進行對比，以此來校正聲波在昆明湖湖水中傳播的波速。

采用RTK聯(lián)合聲吶測深儀勘測昆明湖湖底地形時將RTK安裝在測深儀的正上方，中間采用金屬桿連接(如圖2所示)。測深儀探頭沒于水中，量得測深儀和RTK之間的高差，再結合RTK實時測得的高程值和聲吶測深儀實時測得的水深即可得到此刻湖底地形的準確高程。

圖2 RTK聯(lián)合聲吶測深儀勘測昆明湖湖底地形

在對湖泊進行勘測時，第一階段測得的湖岸地形圖可以為第二階段湖底地形的勘測提供依據，按照湖泊面積選擇不同的測線間距，對湖底地形勘測進行航線規(guī)劃。在實測湖底地形時，RTK除了可以實時測得點位大地坐標、當前點的高程信息外，還能對船只勘測起導航作用，并且能準確地計算出船只偏離航線的方向和偏距大小(如圖3所示)。通過RTK實時測得的高程信息和測深儀測得的水深進行對比，即可得到湖地點的三維坐標信息。當然，此結論的前提是連接RTK和測深儀探頭的金屬桿豎直。當湖面有波浪使得船只上移時，RTK測得的高程值變大，而測深儀測得的水深也相應地變大到同樣的數值，因此算得的湖底點的三維坐標值依然為真實的數值。金屬桿有較小角度的偏離對實測結果影響也不大，可以忽略。但當風浪較大時就不應進行實測作業(yè)了。

圖3 RTK聯(lián)合測深儀勘測界面

由于昆明湖流域面積超過1 km2，本次設置測線間距為20 m。為提高測量成果的準確性，沿著測線每1 m觸發(fā)一次測聲儀，得到一個三維坐標數據，沿著測線每隔50 m使用測深桿測得一個深度數據，記錄下來，便于后期與測深儀測得的數據進行對比驗證。

五、對比分析

地質雷達與聲吶測深儀勘測湖底地形的方法原理類似，在實際勘測中存在著共同點，如都是通過RTK測得的三維坐標與實測的水深結合得到湖底地形，都是利用規(guī)劃好的航線進行勘測，并在后期使用軟件進行處理，計算湖泊的庫容量。但由于雷達采用了電磁波，測深儀采用了機械波，不同的波在介質中傳播的特性不同，使得兩種方法勘測城市湖泊有各自的優(yōu)缺點。

使用地質雷達探測湖底地形時優(yōu)點包括：①能夠連續(xù)測量，每條測線連續(xù)地反映該剖面水下地形和分界面信息，對較小范圍內的地形變化能夠準確地反映出來，信息直觀易懂；②能夠清楚探測到湖底淤泥厚度；③由于電磁波的穿透性較強，雷達勘測湖底地形時受水草影響小，能夠更準確地反映出湖底地形；④外業(yè)工作效率高。

使用地質雷達勘測的缺點是：①天線防水性有待加強，建議采用專門的水上天線，以便雷達天線能夠更好地和水體銜接，避免不必要的電磁波能量損失。②探測不同水深需要不同頻率的天線，而且探測較深水域時需要采用低頻天線。地質雷達天線體積的大小和電磁波波長直接相關，而頻率越低的天線其波長越長，天線體積越大，給外業(yè)勘測帶來的困難越大，當湖底地形變化較大時使用地質雷達勘測就比較麻煩。如本次采用200 MHz天線勘測昆明湖，當水深超過2 m時雷達信號就消失，無法勘測到湖底地形。同時，頻率越低天線的分辨率也越低，使得對淤泥厚度的分辨能力有了降低，尤其是存在薄層時，淤泥層厚度小于一定數值時存在無法探出淤泥厚度的情況。③地質雷達測得的原始數據無法直接進行分析，需要進行專業(yè)的數據處理，得到易于識別的雷達圖，然后通過各個剖面的雷達圖進行數據分析，從而得到各個位置的水深，因此無法在現(xiàn)場直接得到。當然，由于雷達圖是一個個平行的剖面，可以使用三維數據處理軟件處理雷達數據，得到立體的湖底地形雷達圖。④地質雷達受波浪影響相比之下不如聲吶測深儀。當水面靜止不動時，雷達圖上顯示的湖底界面是真實的湖底地形；當水面有波浪導致勘測船只上下晃動時，雷達圖上顯示的湖底界面就不是真實的界面信息了，此時通過GPS所測得的數據對湖底進行高程校正，便可得到真實的湖底地形。

使用聲波測深儀進行湖底地形勘測具有四大優(yōu)點：一是探測深度范圍大，深度能夠從一米內至上百米，用同一頻率的探頭可以探測深度范圍變化較大的區(qū)域。二是后期數據處理簡單，對數據處理員的素質要求較低，并且不需要對數據作過多的解釋。直接獲得的是GPS測得的坐標信息和測深儀測得的水深聯(lián)合計算出的湖底點的三維坐標，可以直接用來進行建模。三是測深儀受風浪影響比雷達測深小。四是測深儀探頭可直接放入水中，實際工作中把測深儀主機放在船上即可，不需要考慮儀器防水性問題。

但使用測深儀探測有3個問題需要解決：一是當湖中水草較多時，聲波穿透水草的能力較弱，使得探測的深度與真實深度會有差異；二是聲波對淤泥穿透能力有限，聲波進入淤泥后絕大部分能量損耗了，使得淤泥厚度探測效果不佳；三是測深儀是離散型勘測，根據奈奎斯特采樣定律，測深儀對地形較陡或規(guī)模較小的地形變化無法真實地反映出來。

六、結束語

昆明湖湖泊勘測采用RTK技術和物探技術聯(lián)合工作，通過對比得出：當對湖底地形變化不大或湖中水草較多的城市湖泊進行勘測時，建議使用地質雷達聯(lián)合RTK進行作業(yè)，這樣既可以快速準確地勘測出湖泊的庫容量，還能夠得到湖底淤泥的厚度；當湖底地形變化較大時則使用測深儀聯(lián)合RTK進行勘測；當水深變化較大，水中淤泥厚度也需要探測出來，同時存在水草的影響時，需使用地質雷達和聲吶測深儀聯(lián)合工作，并用測深桿或測深繩對實測的結果進行驗證，以保證勘測結果的準確性。

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Comparative Study of Urban Lakes Capacity Survey Methods

YANG Bogang，ZHANG Jinsong，HUO Manjun

P228.4

B

0494-0911(2014)11-0050-03

2013-11-06

楊伯鋼(1960—)，男，陜西臨潼人，博士，教授級高級工程師，主要研究方向為測繪工程應用與地理信息系統(tǒng)應用。

楊伯鋼，張勁松，霍滿軍.城市湖泊庫容勘測方法對比研究[J].測繪通報，2014(11)：50-52.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0361