陳尚林

(安徽省長江河道管理局，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著河道管理要求的提高，必須定期對河道水下地形、水文泥沙等進(jìn)行測量，同時對河道測量成果的提供速度、質(zhì)量和技術(shù)要求也越來越高。隨著測量新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代河道測量工作已逐步形成了內(nèi)外業(yè)一體化、天地一體化的數(shù)據(jù)采集與處理的作業(yè)模式。在河道測量中采用測量新技術(shù)，將有助于提高河道測量工作的質(zhì)量與效率，落實河道管理單位的主體責(zé)任。

1 傳統(tǒng)的河道測繪技術(shù)

河道測量的主要內(nèi)容包括固定斷面測量、水下地形測量、陸上灘地測量、水文測驗等。20世紀(jì)90年代以前，河道水下地形測量平面定位技術(shù)傳統(tǒng)的方法是光學(xué)定位、無線電定位法，光學(xué)定位主要采用經(jīng)緯儀前方交會法，水深采用電子管回聲測深儀進(jìn)行測量。陸上灘地部分主要采用經(jīng)緯儀配合標(biāo)尺、標(biāo)桿進(jìn)行測繪，水文測驗采用電子流速儀、浮標(biāo)進(jìn)行測驗。測量作業(yè)時，人員多、效率低、精度差。20世紀(jì)90年代中期，隨著測距儀的普及，測量作業(yè)效率有了較大的提高。20世紀(jì)90年代后期，隨著GPS技術(shù)成熟和應(yīng)用，測量技術(shù)才有了質(zhì)的提高。

河道測量傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理主要采用外業(yè)記錄簿和平板繪圖法。隨著計算機(jī)的使用，電腦輔助繪圖(CAD)取代了手工計算和繪圖，改變了傳統(tǒng)手工繪圖復(fù)雜落后的生產(chǎn)工藝。也改變了繪制周期長、勞動強(qiáng)度高、生成的地圖信息小、存儲不方便等缺點。

21世紀(jì)以來，測繪技術(shù)高速發(fā)展，獲得了質(zhì)的飛躍，大量的先進(jìn)測繪技術(shù)如雨后春筍。全站儀、RTK、聲學(xué)多普勒流速儀(ADCP)、多波束測深系統(tǒng)、激光三維掃描儀、無人機(jī)等先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)在河道測量上得到了廣泛應(yīng)用，河道測量不斷迎來全新的工作方式。測量手段從傳統(tǒng)手工測量、數(shù)字化測量逐漸向信息化測繪發(fā)展。

2 測量新技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 河道測量新技術(shù)

現(xiàn)代科技手段的不斷創(chuàng)新，水下探測的多波束技術(shù)、水陸一體化的三維激光掃描加多波束測量技術(shù)、無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、無人船海洋測繪技術(shù)、多普勒流速儀進(jìn)行的流速測量等新的河道測量技術(shù)在河道測量中得以實踐、發(fā)展和應(yīng)用，見圖1。

圖1 河道測量新技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 水下探測：多波束測深系統(tǒng)

多波束測量一般由窄波束回聲測深設(shè)備和回聲處理設(shè)備兩部分組成。主要用于水下(海洋)地形測量。安裝在測量船上的多波束測深系統(tǒng)，可以在每次發(fā)出聲脈沖時獲得船下的垂直深度，同時在垂直于船跡的平面上獲得幾十個水深值，從而實時繪制水下地形圖。最大工作深度為200～1 200 m，水平覆蓋寬度為水深的3倍以上。多波束測深系統(tǒng)與單波束回聲測深儀相比，具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優(yōu)點,它把測深技術(shù)從點、線擴(kuò)展到面，得到高精度的三維水下地形圖，特別適合水下工程、橋墩碼頭港口區(qū)域水下地形探測。

2.1.2 水陸一體化綜合測量:三維激光掃描測量+多波束測量

河道水陸測量一體化一直是測繪的難點。水陸一體化測量技術(shù)通過多進(jìn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將三維激光測距、多波束測量、定位等技術(shù)融為一體，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量方法效率低、成本高、獲得高密度的水陸三維空間地理信息困難等缺點，作為一種新興的水域空間探測技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。高精度船載水陸一體化綜合測量技術(shù)，可為水利工程三維地形數(shù)據(jù)提供移動、靈活、快速的采集、處理和分析，建立數(shù)字水利高精度三維空間數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步利用不同時期現(xiàn)場采集的水利數(shù)據(jù)對工程三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行時空智能化分析，分析水利工程地形和各種河岸設(shè)施的時空變化，并在此基礎(chǔ)上建立一體化的三維可視化數(shù)字水利平臺，為水利工程、災(zāi)害監(jiān)測提供高精度、高實時的地理空間信息數(shù)據(jù)支持。

2.1.3 傾斜攝影測量：無人機(jī)

無人機(jī)可以在云層下進(jìn)行航空攝影，實現(xiàn)與地形、地物相適應(yīng)的導(dǎo)航和相機(jī)控制，從而獲得多角度、多建筑物的地表場景圖像，支持三維景觀模型的構(gòu)建。無人機(jī)起降靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，也可以快速獲得視頻或正射影像圖。將無人機(jī)與GPS-RTK相結(jié)合，可以獲取高精度的相片位置，可大大減少相控布設(shè)的工作量，提高無人機(jī)作業(yè)效率，采多鏡頭拍攝的傾斜圖像可以通過建模軟件建立三維實景空間，可以從實景空間中通過算法提取地面高程、基礎(chǔ)地形圖、水利工程和設(shè)施等，再結(jié)合水下測量數(shù)據(jù)可以構(gòu)建河流DEM模型，實現(xiàn)河道斷面圖的自動繪制。同時還可以通過無人機(jī)搭載多光譜或紅外相機(jī)，進(jìn)行水質(zhì)和河道隱蔽排污口的調(diào)查；通過搭載LiDAR，可以提取高精度的地面特征。此外，無人機(jī)在河道巡查、河道灘地水資源調(diào)查、采砂管理等方面，都能發(fā)揮很好的作用。

2.1.4 無人船測量

無人船是現(xiàn)代海洋技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，作為一種新型的技術(shù)手段，已廣泛應(yīng)用于水域測量。無人船作為水面機(jī)動載體，其關(guān)鍵技術(shù)包括三個方面：專用平臺設(shè)計技術(shù)、運動控制技術(shù)和通信技術(shù)。無人船具有自動化程度高、輕便、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等特點，適合于河流、湖泊、水庫等區(qū)域的測量，采用無人船作業(yè)可以提高經(jīng)濟(jì)效益、安全效益和環(huán)境效益。在河道工程、碼頭、港口測量中，特別是在測量船只無法正常到達(dá)的水域，能夠起到很好的補(bǔ)充作用。

2.1.5 流速測量：多普勒流速儀(ADCP)

船用多功能聲學(xué)多普勒流速剖面儀(簡稱多功能ADCP或MADCP)主要功能是測量三維流場剖面，同時還兼有測量懸浮泥沙濃度的功能，主要應(yīng)用領(lǐng)域是海洋監(jiān)測、環(huán)境保護(hù)、海洋開發(fā)和河道建設(shè)等方面。ADCP是當(dāng)今最主要的測流手段。多功能ADCP采用聲學(xué)多普勒原理，用聲波遙測水流的速度，對流場不產(chǎn)生干擾，而且能夠在航行過程中測量流速剖面，可快速地獲得一個水域的流場斷面。與常規(guī)的單點式海流計相比，具有測量精度高、快速、高效、省時省力等優(yōu)點。多功能ADCP采用了寬帶和窄帶兩種測流技術(shù)，能適應(yīng)各種復(fù)雜的流場，在測量流速剖面的同時還可測量懸浮物濃度剖面，是研究泥沙遷移規(guī)律，計算輸沙量的十分有效的工具。在水流和泥沙觀測時常采用走航式。

2.1.6 水下機(jī)器人

水下機(jī)器人測量系統(tǒng)是集GNSS、測深儀、激光雷達(dá)等多種高精度傳感設(shè)備以及自動控制等軟件、硬件為一體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以各類水域為主要對象，以高精度地理信息快速獲取為目的，以機(jī)器人搭載多種高精度傳感設(shè)備，采用無線傳輸?shù)姆绞?，在岸基實時接收并分析處理系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)。以遙控和自控兩種方式對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行操作和控制，該系統(tǒng)可自動導(dǎo)航并同時采集水深、平面位置、河道斷面等相關(guān)數(shù)據(jù)，能消除因風(fēng)浪等因素對水底高程的影響。現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，快速成圖，與傳統(tǒng)水下測量方法相比，該系統(tǒng)可規(guī)避作業(yè)人員水下測量作業(yè)安全隱患，提高水下測量效率，快速成圖，當(dāng)前將水下機(jī)器人測量系統(tǒng)應(yīng)用于水下測量已成為行業(yè)發(fā)展趨勢。

2.2 新技術(shù)在安徽河道測量中的應(yīng)用

目前，多波束測深系統(tǒng)、多普勒流速儀(ADCP)和無人機(jī)在河道測量和河道日常管理上應(yīng)用較為廣泛。下面以多波束測深系統(tǒng)和無人機(jī)為例，測量新技術(shù)、新設(shè)備在河道測量和河道管理中發(fā)揮的重要作用。

2.2.1 多波束測深系統(tǒng)在河道監(jiān)測中的應(yīng)用

2020年汛期，長江發(fā)生了流域性特大洪水。長江安徽省段有9處二級崩岸預(yù)警區(qū)，分布在沿江安慶、池州、蕪湖和馬鞍山四個地市。為了確保防洪安全，保證人民群眾生命財產(chǎn)安全，省長江河道管理局對9處崩岸二級預(yù)警區(qū)開展了河道動態(tài)監(jiān)測。采用常規(guī)測量方法，船只需按規(guī)劃航線垂直水流方向進(jìn)行測量，才能滿足測圖要求。由于汛期水位高，江面流速大，船只無法按規(guī)劃航線行駛，安全風(fēng)險較大，同時難以滿足測圖質(zhì)量和時間要求。經(jīng)方案對比分析后，決定采用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行測量。7月7日至10日，歷時4 d，完成了六凸子、躍進(jìn)圩等9處二級崩岸預(yù)警區(qū)1∶2 000水下地形掃測，總計長度23.40 km，面積約7 km2。能夠安全、快速、高效地完成任務(wù)，得益于新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用，為防汛決策提供了第一手基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保了二級崩岸預(yù)警區(qū)安全度汛。

12月完成了安慶大橋通航安全鑒定水下橋墩及地形掃測工作，成果直觀，三維模型真實反映出水下地物、地貌情況。

圖2 六凸子三維水下地形圖

2.1.2 無人機(jī)技術(shù)在河道管理中的應(yīng)用

圖3 安慶大橋橋墩圖

全面落實長江大保護(hù)，加強(qiáng)河道日常管理，是確保長江綠色、健康發(fā)展的重要抓手。隨著科技的進(jìn)步，河道管理走上了信息化管理時代，傳統(tǒng)的管理模式和手段已難以滿足河道管理事業(yè)發(fā)展的需要。如何快速、高效地完成河道日常巡查任務(wù)，如何第一時間獲得違法、違建的證據(jù)，簡單、直觀地展現(xiàn)現(xiàn)場真實情況，無人機(jī)就能很好地解決這一問題。無人機(jī)航拍可以制作視頻、正射影像圖、三維場景圖、地形圖等，多層次地真實反映現(xiàn)場情況。近年來，安徽省長江河道管理局將無人機(jī)全面應(yīng)用到長江河道和工程日常巡查、工程驗收、采砂管理、違章違規(guī)取證等方面，大大地提高了工作效率，為下一步建立長江安徽省段地理信息系統(tǒng)積累了大量的數(shù)據(jù)，為全面實現(xiàn)長江河道信息化管理打下了基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

隨著測量新技術(shù)、新設(shè)備的不斷發(fā)展，將使河道測量的成果在時間和空間尺度上更加精細(xì)化、實時化，推動河道管理事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。