(1.上海海事測繪中心，上海 200090； 2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024)

1 研究背景

1.1 長江口深水航道概況

長江口12.5 m深水航道(航道底寬350～400 m，總長約90 km)自2010年3月14日試通航以來，大幅提升了長江口水道的通航能力，已經(jīng)逐漸成為大型船舶進(jìn)出長江黃金水道的重要通道，也是唯一的通道。根據(jù)對長江口12.5 m深水航道近幾年通航船舶的統(tǒng)計可以看出，平均每天進(jìn)出長江口12.5 m深水航道的船舶總數(shù)約127艘次[1]。

由于長江口同時受到上游流域下泄泥沙(包括本地灘地泥沙補(bǔ)給)和海洋漲潮流輸沙的雙重影響，12.5 m深水航道的年疏浚維護(hù)量已經(jīng)達(dá)到7 500～8 000萬m3，人力、物力投入巨大，影響了深水航道經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 提高通航核定測量精度的意義

長江口深水航道通航尺度核定測量通常采用單波束月度檢測方式?！逗５罍y量規(guī)范》3.4.3[2]以及《沿海港口航道測量技術(shù)要求》4.2.3[3]規(guī)定，水深在0～20 m，深度測量極限誤差為±0.3 m；《水運工程測量規(guī)范》8.1.6[4]規(guī)定，水深在0～20 m，深度測量極限誤差為±0.2 m。目前國內(nèi)常用的水深測量設(shè)備精度均已滿足要求，但分米級的水深精度要求對于長江口深水航道來說仍不夠精細(xì)；假設(shè)全航道水深數(shù)據(jù)僅相差10 cm，對于疏浚企業(yè)來說，整個長江口深水航道的疏浚工作量約達(dá)到300多萬m3。因此，雖然水深數(shù)據(jù)均符合測量規(guī)范要求，但水深測量數(shù)據(jù)的精確與否，直接影響航運管理部門的通航?jīng)Q策、疏浚企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營以及業(yè)主的土方量核算。

1.3 影響因素及研究方向

影響長江口深水航道通航尺度核定測量水深成果數(shù)據(jù)精度的因素包括：定位精度、測深精度、實時潮位精度及其改正方法、實時聲速、涌浪、海底底質(zhì)、換能器靜吃水變化、船舶動吃水變化等。

現(xiàn)代水深測量定位精度隨著RTK技術(shù)的成熟以及北斗CORS站的建設(shè)，已經(jīng)實現(xiàn)了厘米級，測深精度、實時潮位精度也已實現(xiàn)厘米級，聲速剖面也能實時測得。因此研究分析重點應(yīng)放在如何精確測定船舶換能器靜吃水及其變化方面，其他影響因素如船舶動吃水變化影響雖然也很重要，但留待以后作進(jìn)一步研究。

2 船舶換能器靜吃水測定

2.1 船舶吃水

船舶吃水一般指船舶浸在水里的深度，船舶的底部至船體與水面相連處的垂直距離[5]。通過讀取標(biāo)在船艏和船艉的水尺，可以確定船舶的吃水。根據(jù)船舶的運動狀態(tài)，船舶吃水又可分為靜態(tài)吃水(簡稱“靜吃水”)和動態(tài)吃水(簡稱“動吃水”)兩類。

換能器靜吃水不同于船舶靜吃水值，為測量船舶靜止?fàn)顟B(tài)下?lián)Q能器(單波束換能器或多波束換能器)中心到水面的垂直距離[6]。無論采用何種安裝方式測量船舶，其換能器靜吃水值一般不等于船舶靜吃水值，需要通過一系列方法進(jìn)行測定。

2.2 必要性

影響水深測量數(shù)據(jù)精確性的因素很多，作為系統(tǒng)誤差的組成部分，能否精確測定船舶換能器靜吃水及其變化也是其中重要方面。測量船舶在作業(yè)過程中油、水的消耗或船舶經(jīng)過補(bǔ)給后，都會引起船舶靜吃水變化；如果換能器靜吃水沒有及時調(diào)整，勢必會造成水深數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差，而水深數(shù)據(jù)的失真，又將會影響航道的通航、疏浚、工程結(jié)算等。

3 傳統(tǒng)換能器靜吃水及其變化測定局限性

3.1 傳統(tǒng)換能器靜吃水測定

為滿足海道測量規(guī)范、水運工程規(guī)范及沿海港口航道測量技術(shù)要求，傳統(tǒng)換能器靜吃水測定一般按下列步驟進(jìn)行。

(1)測量船舶上排時，在岸邊建立閉合水準(zhǔn)點控制網(wǎng)；

(2)在測量船舶左右舷各設(shè)置兩個觀測點并做明顯的標(biāo)志以便長期使用；

(3)用全站儀分別觀測測量船舶上各個特征點并記錄三維坐標(biāo)；

(4)計算左右舷觀測點(至少兩處)到換能器中心的高程差平均值g1，g2……；

(5)測量滿載船舶在水中處于靜止?fàn)顟B(tài)下，用皮尺量左右舷各觀測點到水面的距離，讀數(shù)5次以上，取其平均值作為各觀測點凈空觀測值j1，j2……；

(6)得出測量船舶換能器靜吃水h1=g1-j1，h2=g2-j2……，如圖1所示；

圖1 傳統(tǒng)換能器靜吃水測定示意

(7)取h1,h2……平均值作為測量船舶換能器最終靜吃水值[7]。

通過以上方法，選定應(yīng)用于長江口深水航道通航尺度核定測量船舶A輪作為目標(biāo)輪，經(jīng)傳統(tǒng)方式測定其換能器靜吃水(見表1)。

表1 傳統(tǒng)方式測定測量船滿載情況下?lián)Q能器靜吃水值 m

3.2 傳統(tǒng)換能器靜吃水變化測定

傳統(tǒng)換能器靜吃水變化通常采用校儀方式測定，雖然從嚴(yán)格意義上來講，傳統(tǒng)校儀方式均以假定換能器吃水比較準(zhǔn)確為基礎(chǔ)，通過校儀方法來確定測區(qū)實際聲速值，然而隨著聲速儀測量聲速的便捷性和精確性提高，現(xiàn)有水深校儀更多是利用聲速儀結(jié)合水砣繩、皮尺、測深儀來測定換能器靜吃水變化。具體方法如下。

(1)到達(dá)測區(qū)，實測聲速值并設(shè)定到測深儀；

(2)通過皮尺和水砣繩比對，確定水砣繩伸縮變化并調(diào)整相應(yīng)刻度；

(3)在不同深度段扔水砣估讀水深(因為水砣繩最小刻度為 0.5 m，需要讀取到 0.1 m)；

(4)通過水砣繩估讀水深與測深儀實測水深比較，確定和調(diào)整換能器靜吃水值[7]。

3.3 測定及校儀的局限性

傳統(tǒng)換能器吃水測定及校儀方式均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，在水深數(shù)據(jù)精度要求不高的水域，也仍在廣泛使用。但通過扔水砣方式校儀，存在很明顯的缺陷。

(1)因為要在不同深度段校儀，所以測定勢必要在測區(qū)進(jìn)行，受風(fēng)浪影響比較大。

(2)水砣繩最小刻度為 0.5 m，估讀到 0.1 m受人為因素影響較大。

(3)受海底底質(zhì)、潮流、涌浪、船舶搖擺等因素影響，很難保證估讀到 0.1 m的精度。

鑒于此，傳統(tǒng)校儀的精度只能達(dá)到分米級別，而對厘米級別的吃水變化很難及時發(fā)現(xiàn)，尤其是在船舶非滿載情況下或者經(jīng)過部分補(bǔ)給等情況下?lián)Q能器靜吃水精確測定存在困難。

圖2 船舶靜吃水測量精度測定的基本流程

4 船舶換能器靜吃水測量精度測定

雖然長江口深水航道維護(hù)測量是采用單波束測量，但測量船舶換能器靜吃水精度測定不僅包括單波束換能器，同時也可以兼顧多波束換能器。隨著現(xiàn)代水深測量多波束系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，以及多波束船型文件制作的實際需求，以多波束換能器為重點(單波束換能器根據(jù)多波束換能器關(guān)系可以直接推定得出)進(jìn)行靜吃水測定有著更廣泛的用途。結(jié)合OCTANS姿態(tài)儀，其測定方法主要有船舶上排測量和船舶下水測量兩大部分，基本流程如圖2所示。

4.1 船舶上排測量

4.1.1 建立三維測量獨立坐標(biāo)系

測量船舶上排、建立閉合導(dǎo)線，在閉合導(dǎo)線上取點A，并在距離A大于200 m且與A通視處，設(shè)立一點B作為定向點，導(dǎo)線點均埋設(shè)水準(zhǔn)鋼標(biāo)。A和B采用控制測量方式采集定位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)后處理得到高斯投影平面坐標(biāo)[8]。

導(dǎo)線點采用全站儀測定平面坐標(biāo)及相對高程，以此為基礎(chǔ)建立三維測量獨立坐標(biāo)系[9]。

4.1.2 測定測量船舶上設(shè)備安裝及船幫點坐標(biāo)

利用控制點測定多波束探頭、姿態(tài)傳感器、定位儀天線等設(shè)備中心點的三維坐標(biāo)；同時測定在船幫上位于船首、船尾及船舷靠近多波束探頭和姿態(tài)傳感器處的觀測點的三維坐標(biāo)。將所有測定的坐標(biāo)繪制船型示意圖，如圖3所示。

圖3 船型示意

4.1.3 靜態(tài)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集

在測量船舶下水之前，運行測量設(shè)備，用Hypack采集姿態(tài)數(shù)據(jù)30 min。處理靜態(tài)采集的數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)后，求取平均值，得靜態(tài)測定值：航向As，橫搖Rs，縱搖Ps[10]。

4.1.4 排上采集數(shù)據(jù)初處理

經(jīng)過以上步驟，測量船舶在排上所需的測量數(shù)據(jù)全部采集完畢，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步計算。

(1)計算測量獨立坐標(biāo)系北方向真方位角[7]。

(2)計算姿態(tài)傳感器縱軸在測量獨立坐標(biāo)系中的方位角。因為航向As是姿態(tài)傳感器縱軸相對于大地坐標(biāo)系的真方位角，α0是測量獨立坐標(biāo)系北方向相對于大地坐標(biāo)系的真方位角，因此，姿態(tài)傳感器縱軸在測量獨立坐標(biāo)系中的方位角為

As′=As-α0

比較姿態(tài)傳感器縱軸及船首尾線在測量獨立坐標(biāo)系中的方位角，如果差值太大，則需重新安裝姿態(tài)傳感器并重新測量，直到差值到可控的范圍內(nèi)，以保證姿態(tài)傳感器縱軸與船首尾線盡量吻合。

(3)將測量獨立坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到排上測量船坐標(biāo)系。通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、平移將測量獨立坐標(biāo)系通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換到排上狀態(tài)下的測量船坐標(biāo)系(以在用多波束測深中心為原點，X′Y′平行于水平面，X′Y′Z′為左手坐標(biāo)系：X′指向右舷，Y′指向船艏，Z′指向海底)。

(4)將排上測量船坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到與姿態(tài)傳感器一致的測量船坐標(biāo)系。

以上坐標(biāo)數(shù)據(jù)XY方向都是在理想狀態(tài)下(水平面)利用采集的數(shù)據(jù)計算得出的，但是船舶的實際狀態(tài)是通過姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)反映出來的，如果將排上測量船坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到與姿態(tài)傳感器一致的測量船坐標(biāo)系，測量數(shù)據(jù)將會更加準(zhǔn)確。

根據(jù)靜態(tài)測定值Rs和Ps，再一次通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)將設(shè)備中心位置及船幫上的各觀測點的坐標(biāo)歸算到姿態(tài)坐標(biāo)系中，建立與姿態(tài)傳感器一致的測量船坐標(biāo)系(坐標(biāo)原點為多波束測深中心)。

4.2 船舶下水測量

4.2.1 漂泊數(shù)據(jù)采集

在測量船舶下水之后，選擇合適天氣和海域，進(jìn)行靜漂測量，運行測量設(shè)備，用Hypack采集姿態(tài)數(shù)據(jù)30 min；同時量測在船幫所設(shè)置的觀測點處的水面凈空高度。剔除漂泊姿態(tài)異常數(shù)據(jù)后，求取平均值，得到船舶靜漂中姿態(tài)傳感器測定值：橫搖Rd，縱搖Pd。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理

(1)排上的姿態(tài)傳感器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到與漂泊測定時水面一致的坐標(biāo)系。實際作業(yè)時，人工量測數(shù)據(jù)均基于水平面量，為了計算方便，需要將排上的姿態(tài)傳感器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到與靜漂測定時水面一致的坐標(biāo)系。根據(jù)靜漂測定值橫搖Rd、縱搖Pd以及船舶在排上姿態(tài)傳感器靜態(tài)測定值Rs和Ps，再一次通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)把各設(shè)備中心位置及船幫上的各觀測點轉(zhuǎn)換到與漂泊測定時水面一致的坐標(biāo)系(坐標(biāo)原點為多波束測深中心)，從而得到各設(shè)備及觀測點在船舶靜漂測定時水面一致坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)。

(2)計算換能器靜吃水。通過靜漂采集的船幫所設(shè)置的各觀測點處的水面高度j2，以及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后各觀測點和換能器中心的垂直高差g2，即可以通過各觀測點計算出換能器的靜吃水h2=g2-j2，最后將各觀測點計算出的各靜吃水值求平均得到最終船舶靜吃水值[7]。

4.3 新型測定方法的優(yōu)點

該新型的測量船舶靜吃水精確測定方法是在以往傳統(tǒng)吃水測定的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前水上作業(yè)和交通船舶對水深數(shù)據(jù)精度要求提高而提出的，該方法主要有以下幾個優(yōu)點。

(1)靜漂水域不必在測區(qū)，可以自由選擇不受風(fēng)浪影響水域，且能通過船幫上各觀測點準(zhǔn)確獲得凈空高度，減少環(huán)境因素影響。

(2)通過靜漂，可以很方便得到即時船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過計算，得出船舶在水面實際姿態(tài)下各設(shè)備、觀測點間精確的、動態(tài)的、最新的垂直高差。

(3)通過每天工前工后靜漂，可以精確測定船舶換能器靜吃水。

(4)通過即時船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)可以更新、制作即時準(zhǔn)確的多波束系統(tǒng)船型文件，提高多波束內(nèi)業(yè)處理效率。

(5)通過即時船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)可以制作單波束設(shè)備安裝偏心文件等。

(6)形成更為可靠、易掌握的測量外業(yè)作業(yè)流程規(guī)范，方便新入行的測量人員理解，并有助于其有效地完成測量任務(wù)。

(7)上交正式資料時有依據(jù)可尋，方便質(zhì)檢人員查驗資料的準(zhǔn)確性。

4.4 A輪精確測定靜吃水值

2017年5月22日，采用上述方法對A輪進(jìn)行船舶換能器靜吃水精確測定，計算結(jié)果見圖4。A轉(zhuǎn)換能器靜吃水值見表2。

表2 精確測定A輪滿載情況下?lián)Q能器靜吃水值 m

圖4 多波束靜態(tài)測定計算結(jié)果

由表1和表2可知：

(1)采用精確測定方式，換能器靜吃水測值實現(xiàn)厘米級；

(2)采用精確測定方式，測量船舶單波束換能器靜吃水滿載情況下初次測定值與傳統(tǒng)方式測定結(jié)果比較吻合，精確測定方式是可靠的；

(3)精確測定的測量結(jié)果與傳統(tǒng)的測量結(jié)果差異不大，還無法體現(xiàn)出靜吃水測量精度的提升， 關(guān)鍵還是在后續(xù)實際使用過程中體現(xiàn)出差異性。

5 A輪實施作業(yè)跟蹤統(tǒng)計

2017年6～11月，A輪采用新的測定方式參與了每月1次的長江口深水航道維護(hù)檢測測量任務(wù)，每個檢測周期內(nèi)A輪單波束換能器靜吃水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計見表3。

表3 A輪實施長江口深水航道維護(hù)檢測單波束換能器靜吃水值

由表3可以看出：

(1)A輪在實施測量中能夠精確地確定并調(diào)整每日的換能器靜吃水值，數(shù)值精確到厘米級，實現(xiàn)了精確測定的目的。

(2)通過靜吃水值能清楚了解A輪何時接受過重新補(bǔ)給。

(3)A輪在實施補(bǔ)測過程中，因每次補(bǔ)測工作量不相同，引起吃水變化相對沒有規(guī)律。

(4)除11月份外，A輪每次基本滿載出航。在11月?lián)Q能器靜吃水值已經(jīng)達(dá)到 2.72 m，與原始測定的 2.83 m相比，相差11 cm。

(5)雖然A輪在連續(xù)作業(yè)過程中船舶換能器每天靜吃水變化都比較小，但通過精確測定方式都能測定其精確值。如果采用原有校儀方式(3.2和3.3中已作闡述)，很難測定這種細(xì)微的變化，在實際作業(yè)過程中，也很難做出相對應(yīng)的調(diào)整。隨著連續(xù)作業(yè)天數(shù)的累積，細(xì)微的換能器靜吃水變化，會對水深數(shù)據(jù)產(chǎn)生分米級的影響。

因此，單獨篩選6～11月初測部分(見表4)作進(jìn)一步分析。

表4 A輪實施長江口深水航道維護(hù)檢測初測單波束換能器靜吃水值

從表4可以看出：

(1)在一個連續(xù)作業(yè)航次(3 d)內(nèi)，平均靜吃水變化非常穩(wěn)定，基本在5～6 cm之間，以平均每天約2 cm遞減。

(2)在一個連續(xù)作業(yè)航次(3 d)內(nèi)，最大靜吃水變化在7～8 cm，按此規(guī)律推算，從連續(xù)作業(yè)第五天開始，換能器靜吃水變化基本達(dá)到10 cm以上。

(3)雖然在第五天換能器靜吃水變化才達(dá)到10 cm以上，但海圖水深是以dm為單位，在實際水深測量過程中，例如：原設(shè)定船舶換能器靜吃水為2.80 m，換能器至海底實測水深為12.08 m，實時潮位為3 m，實際精確測定船舶換能器靜吃水為2.74 m。

按照原換能器靜吃水值，海圖水深(D)=12.08+2.80-3=11.88≈11.9 m

按照精確測定換能器靜吃水值，海圖水深(D)=12.08+2.74-3=11.82≈11.8 m

因此，即使換能器靜吃水變化調(diào)整在幾厘米以內(nèi)，因四舍五入的原因，調(diào)整已經(jīng)對部分海圖水深數(shù)據(jù)造成了分米級的影響。

6 意義及展望

6.1 意 義

長江口12.5 m深水航道是大型船舶進(jìn)出長江黃金水道的重要通道，航運交通繁忙，受到各方高度重視。提高長江口深水航道通航尺度核定測量水深數(shù)據(jù)成果精度，有著非常顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

(1)對進(jìn)出口船舶的通航安全提供了有力保障。

(2)為決策部門研究落實加強(qiáng)長江口深水航道富余水深利用方案提供參考依據(jù)。

(3)對長江口深水航道內(nèi)大型超寬船舶交會的邊坡利用提供了數(shù)據(jù)支撐。

(4)對長江口深水航道適航水深浮泥利用研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(5)對航道疏浚企業(yè)的補(bǔ)挖補(bǔ)測提供了有效支持，加快航道維護(hù)過程，提高深水航道利用率。

(6)對長江口深水航道管理方工程結(jié)算提供了準(zhǔn)確憑據(jù)。

6.2 展 望

本文雖然對船舶換能器靜吃水及其變化的精確測定方面進(jìn)行了探索，但僅提高靜吃水測定精度是不夠的，因為影響水深數(shù)據(jù)精度的因素有很多，而水深數(shù)據(jù)最終成果精度的提升需要各方面影響因素的全面提升。例如船舶動吃水在船舶高速低速時不同，在頂水順?biāo)畷r也不同，這種船舶動吃水的實時變化對水深數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響更大。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，水深測量技術(shù)也在發(fā)生革命性的變化。國家陸海高程的統(tǒng)一、數(shù)字高程模型的全面覆蓋以及RTK、PPK技術(shù)的成熟運用，再結(jié)合三維姿態(tài)傳感器及測深系統(tǒng)的應(yīng)用，未來的水深測量模式必然可以實現(xiàn)直接精確測量海底水深。本文所探討的提升航道通航尺度核定測量精度是在水深測量技術(shù)發(fā)展過程中的一個過渡性措施。