王志彬

摘 要：本文基于湛江港某航道測量工程為研究對象，首先分析了多波束RTK三維水深測量作業(yè)模式，進(jìn)而詳細(xì)闡述了航道測量的步驟和具體實施方法，包括作業(yè)前的準(zhǔn)備、聲速剖面測量、數(shù)據(jù)處理與過濾、質(zhì)量評價等，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：三維 水深測量 聲速 多波束

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（b）-0091-02

近年來，隨著國家對沿海港口城市綜合規(guī)劃和開發(fā)的重視，多波速掃海測量在港口航道的擴建和疏浚維護(hù)工程中的應(yīng)用也日漸增多。本文將重點介紹利用美國產(chǎn)Odom-ES3多波束測深系統(tǒng)結(jié)合Trimble雙頻GPS接收機等在湛江港航道疏浚維護(hù)工程中掃海測量的工作情況和關(guān)鍵問題探討。

1 多波束RTK三維水深測量作業(yè)模式

多波束測深系統(tǒng)以其全覆蓋、效率高、后處理數(shù)據(jù)強大的掃海測深特點，結(jié)合目前常用的GPS RTK實時定位技術(shù)，能夠良好地完成水運工程方面的測量任務(wù)。其工作原理是：GPS基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信號傳輸給流動站，GPS流動站通過接收基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，在測量船上實時得出三維坐標(biāo)；而多波束系統(tǒng)通過與GPS流動站連 接與設(shè)置，在秒脈沖PPS（Pulse-Per-Second）技術(shù)的協(xié)同下自動同步接收并記錄實時定位與測深值，見圖1。

通過圖1各參量的標(biāo)示及其相互位置關(guān)系，可以得出如下：

H（x，y）=T（x，y）-G（x，y）+L （1）

D（x，y）=H（x，y）-Δ （2）

式中，L為GPS天線到換能器距離，為常數(shù)值；x，y為水深定位點；D（x，y）為深度基準(zhǔn)面的水深值；H（x，y）為高程基準(zhǔn)面的水深值；T（x，y）為換能器底面的瞬時水深值，可由多波束系統(tǒng)直接測得；G（x，y）為GPS流動站在高程基準(zhǔn)面的高程值，可通過與基準(zhǔn)站的連接獲得并實時傳導(dǎo)給多波束系統(tǒng)；Δ為高程基準(zhǔn)面與深度基準(zhǔn)面的差值，通常在某已知測區(qū)內(nèi)為常數(shù)值。

2 航道測量案例研究

2013年3～4月和10～11月分別對湛江港航道進(jìn)行了浚前和浚后掃測，目的是檢驗經(jīng)過疏浚后各條航道是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)計水深（均不超過20m）要求，是否滿足航道設(shè)計通過能力。掃測航道面積約6.9km2，總長度約26km。測深采用Odom-ES3多波束測深系統(tǒng)，主要技術(shù)指標(biāo)為：工作頻率：240kHz；掃幅寬度：接收120°×3°，發(fā)射120°×3°；有效波束寬度：-0.75°，-1.5°，-3.0°；波束數(shù)量：默認(rèn)480，可達(dá)240和120；距離分辨率：0.02%倍的測距；測深范圍：0.5～60m。

在正式施測之前，依次完成了控制測量、參數(shù)計算、系統(tǒng)安裝與調(diào)試、系統(tǒng)校準(zhǔn)及精度評測等工作；施測過程中進(jìn)行了聲速剖面測量、多波束掃測記錄、RTK三維水深測量、多波束中央波束和單波束對已測數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量檢查和精度統(tǒng)計；施測完成后對所測外業(yè)成果進(jìn)行了數(shù)據(jù)編輯和過濾，然后輸出作為圖載水深數(shù)據(jù)供制圖使用。

2.1 作業(yè)前的準(zhǔn)備

（1）航道施測前要綜合考慮到海況、天氣、測區(qū)船舶通行等因素，制定合理的掃測作業(yè)進(jìn)度表，做到既不影響工期又能保證成果質(zhì)量。（2）由于航道淤積情況不盡相同，航道內(nèi)、航道邊坡及航道邊坡外的水深變化明顯，因此布設(shè)主測深線需根據(jù)水深而定，一般1.5～2倍為宜，由航道內(nèi)向外逐漸加密，做到不多不漏。合理布設(shè)測線既能提高專業(yè)效率，又能節(jié)約成本。（3）多波束系統(tǒng)安裝和校準(zhǔn)。在測量船上安裝多波束測深系統(tǒng)和施測過程中不可避免存在著由于坐標(biāo)軸平移、坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)（橫搖、縱傾和航向偏差）引起的系統(tǒng)偏差。為了消除這些系統(tǒng)誤差，必須進(jìn)行兩坐標(biāo)系統(tǒng)之間的平移、旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)，以保證測量結(jié)果的客觀性。

2.2 聲速剖面測量

多波束掃測過程中，由于換能器表層聲速主要受溫度影響，同一地點在不同時間聲速也會發(fā)生較大的變化。而表層聲速的差異將直接影響海底測深精度，導(dǎo)致海底形態(tài)的畸變。一般聲速剖面測量的地點盡量選擇在航道內(nèi)中心有代表性的水域，單個聲速剖面的控制范圍小于5km，每日施測前后應(yīng)各測量一次，以盡可能減小聲速變化對測量結(jié)果的誤差。例如，本次航道測量根據(jù)浚前（30天）和浚后（33 天）兩次掃測顯示，湛江港海域聲速主要受溫度影響較大，且聲速值隨溫度降低而減小，而聲速每減小10m，測量水深值減小0.1m，這對航道疏浚影響很大。因此，在海上作業(yè)過程中，必須盡可能多次測量不同海域的聲速剖面。3.3RTK