李 明

（阜陽市潁東區(qū)水利局，安徽 阜陽 236000）

0.引言

隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際工程應(yīng)用中結(jié)合雷達(dá)衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、計算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)，建立大型河道水下地形測量模型越來越受到人們的關(guān)注。根據(jù)大型河道水下地形分布特性，采用遙感圖像分割和信號處理方法，建立大型河道水下地形測量參數(shù)模型；同時通過閾值與界面反射特征分析，采用閾值分割方法，進(jìn)行大型河道水下地形測量模型構(gòu)建并分析河流地形及水體關(guān)系，最終形成大型河道水下地形測量成果。大型河道水下地形測量成果對河道的測量和水環(huán)境污染檢測方面具有重要意義[1]。

對大型河道水下地形測量是建立在對河道地形的光譜特征分析基礎(chǔ)上的，通過信號和圖像特征分析，建立大型河道水下地形參數(shù)檢測和估計模型[2，3]。文獻(xiàn)[4]中提出雙程聲徑的常梯度聲線跟蹤水下定位及地形測繪方法，構(gòu)建空間差分和垂向差分辨識模型，并結(jié)合河底應(yīng)答器坐標(biāo)定位，實(shí)現(xiàn)差分定位和地形測量，但該方法受環(huán)境因素的影響較大。文獻(xiàn)[5]中提出利用垂直重力梯度異常反演海底地形的解析方法，利用重力異常分布直接反演海底地形參數(shù)，為海底地形測量提供了理論參考，但該方法對淺水地形測量的局限性較大。文獻(xiàn)[6]提出一種多波束測深定位方法獲取河道水下地形數(shù)據(jù)，并采用空間自適應(yīng)趨勢面濾波法對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊后處理以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和精準(zhǔn)度，但是水下地形成果受去噪算法影響較大，可靠性有待進(jìn)一步提升和驗證。針對上述問題，本文提出基于GNSS技術(shù)的大型河道水下地形測量方法，采用GNSS技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行大型河道水下地形網(wǎng)格化定位和信息采集，根據(jù)層內(nèi)聲速線性變化，建立大型河道水下地形的聲波檢測模型，根據(jù)衛(wèi)星定位結(jié)果，構(gòu)建河道水下地形分布的波譜特征信息，實(shí)現(xiàn)大型河道地形測量，最后采用真實(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗測試。

1.大型河道水下地形特征分析和參數(shù)采集

1.1 大型河道水下地形特征分析

對大型河道水下地形測量首先需要進(jìn)行地形特征參數(shù)分析。大型河道水下地形參數(shù)采用GNSS技術(shù)，根據(jù)河道地形的反射波與入射波聲壓分布，建立大型河道水下地形的透射聲壓分析模型；根據(jù)聲波強(qiáng)度分析，建立大型河道水下地形的定位模型，計算入射聲波強(qiáng)度與透射聲波強(qiáng)度比值，從而構(gòu)建河道水下地形參數(shù)折射反射模型。根據(jù)全球衛(wèi)星導(dǎo)航信號、聲波強(qiáng)度、河底地形的折射波聲壓和河底地形反射回波信號強(qiáng)度，開展兩介質(zhì)的特征阻抗差分析，進(jìn)而分析大型河道水下地形特征，基于此完成水下地形測量。

1.2 大型河道水下地形參數(shù)采集

根據(jù)對大型河道的水下地形特征分析，采用共軛梯度算法建立大型河道水下地形測量方程，構(gòu)建體模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行河底地形檢測和定位，如圖1所示。

圖1 河道地形數(shù)據(jù)檢測的體模型結(jié)構(gòu)

由圖1可知：假設(shè)Ω為大型河道水下地形分布的空間體特征點(diǎn)，河道定位的長方體模型長寬高分別為2a、2b、H－h(huán)，其中，H為河床到河面的高度，構(gòu)建大型河道水下地形參數(shù)采集的質(zhì)心分布方程，如式（1）所示：

式（1）中，G為河道地形數(shù)據(jù)分布的萬有引力泛函常數(shù)；ρ為水下地形梯度系數(shù)2 700 kg/m3。根據(jù)河道地形分布模型，通過重力梯度全張量數(shù)據(jù)融合的方法，計算河道內(nèi)側(cè)地形分布參數(shù)W，得到測量方程，如式（2）所示：

由式（2）可知：在河道水下分布的上一個正方形區(qū)域中，通過GNSS技術(shù)進(jìn)行河道水下地形測量模型構(gòu)建，結(jié)合最小二乘求解非線性方程，獲得定位信息，提高了測量的準(zhǔn)確性。

2.大型河道水下地形測量優(yōu)化

2.1 水下地形測量的定位模型

考慮到聲速誤差分布，通過重力梯度參數(shù)估計，在全張量數(shù)據(jù)融合中進(jìn)行河道水下地形觀測，構(gòu)建觀測模型，采用多源陣列檢測的方法分布河底觀測器，觀測器分布坐標(biāo)為X0（x0，y0，z0），模擬試驗中測量地形方位的方法，計算河道的內(nèi)側(cè)地形分布參數(shù)，得到河底聲速分布坐標(biāo)為Xi（xi，yi，zi），采用單程聲徑聲線跟蹤的方法，進(jìn)行聲速層的構(gòu)造，得到大型河道的單程聲徑水下定位模型，如式（3）所示：

式（3）中，f（Xi，X0）為河道水下地形測量的聲速折線分布函數(shù)；δ為船載換能器位置相關(guān)系數(shù)；ρdi為聲信號的水平位移；εi為應(yīng)答器坐標(biāo)改正數(shù)；基于水下定位模型構(gòu)建，并采用時序脈沖進(jìn)行河道的GNSS衛(wèi)星定位，如圖2所示。

圖2 GDSS定位脈沖時序

2.2 地形測量優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

在上述采用共軛梯度算法建立大型河道水下地形測量方程的基礎(chǔ)上，進(jìn)行重力梯度全張量模式下的水下測量數(shù)據(jù)清洗、優(yōu)化、治理、融合等處理工作，得到水下地形動態(tài)測量的觀測方程，如式（4）所示：

式（4）中，ρi為換能器位置相關(guān)的隨機(jī)分布參數(shù)；X1s為平差參數(shù)的協(xié)因數(shù)陣；X00為初始的應(yīng)答器的概略坐標(biāo)。采用高精度定位觀測的方法，計算河道的內(nèi)側(cè)地形分布參數(shù)，得到計算單位權(quán)中誤差和協(xié)方差陣（xi，yi，z）i；利用多個斜距建立誤差方程組，采用相同的分層結(jié)果，得到第i層內(nèi)傳播的水平距離；根據(jù)層內(nèi)聲速線性變化，建立大型河道水下地形的聲波檢測模型；根據(jù)衛(wèi)星定位結(jié)果，構(gòu)建河道水下地形分布的譜特征信息。最終，采用梯度聲線跟蹤法，實(shí)現(xiàn)水下地形測量譜模型擬合。

3.試驗測試分析

為測試本文方法在實(shí)現(xiàn)大型河道水下地形測量中的應(yīng)用性能，需采用真實(shí)的試驗數(shù)據(jù)并設(shè)計可靠的試驗流程進(jìn)行測試和評定。設(shè)定河道中河底與河面的最大和最低高度為10 m和2 m，GNSS衛(wèi)星定位聲線跟蹤水平方向互差為0.305 m，脈沖響應(yīng)幅值為35 dB，測量船平均水平位移為7.660 m。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，將測量位置分為淺水和深水區(qū)域，得到在淺水測量點(diǎn)河道水下地形輪廓分布結(jié)果，如圖3所示。

圖3 淺水測量點(diǎn)河道水下地形輪廓分布結(jié)果

采用本文方法進(jìn)行重力梯度全張量數(shù)據(jù)融合，并進(jìn)行河流水體特征提取，在此基礎(chǔ)上得到地形特征及正則化分布結(jié)果，如圖4所示。

圖4 淺水測量點(diǎn)地形特征及正則化分布結(jié)果

進(jìn)一步對淺水測量點(diǎn)的地形進(jìn)行量化識別，根據(jù)層內(nèi)聲速線性變化，建立大型河道水下地形的聲波檢測模型，得到水下地形標(biāo)記結(jié)果，如圖5所示。

圖5 淺水測量點(diǎn)水下地形標(biāo)記結(jié)果

圖5中分別列出使用本文方法得到的水體檢測識別結(jié)果、水體關(guān)鍵點(diǎn)位置和標(biāo)記出的測量點(diǎn)位，可見，本研究能有效實(shí)現(xiàn)對大型河道淺水點(diǎn)的水下地形測量；同理，進(jìn)行深水點(diǎn)的測量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 深水測量點(diǎn)水下地形測量標(biāo)記結(jié)果

由圖5、圖6可知：本文方法能有效實(shí)現(xiàn)對大型河道水下地形測量；將本文方法的測量精度與文獻(xiàn)[4－6]的試驗結(jié)果進(jìn)行對比，精度結(jié)果的數(shù)值范圍為0～1，數(shù)值越接近0，表明精度越低；數(shù)值越接近1，表明精度越高。最終測量結(jié)果如表1所示。由此可見，采用本文方法進(jìn)行大型河道水下地形測量的精度較文獻(xiàn)[4－6]的方法更高，并在不同深度下測量的穩(wěn)定性更高。

在實(shí)際生產(chǎn)中，為保證大型河道水下地形測量成果滿足實(shí)際應(yīng)用的質(zhì)量要求，需統(tǒng)一按照“兩級審查、一級驗收”的機(jī)制進(jìn)行質(zhì)量檢查，對河道水下地形數(shù)據(jù)的完整性、一致性、屬性精度、位置精度等指標(biāo)進(jìn)行一一檢查。如果檢查通過，則可作為最終成果進(jìn)行驗收；如果質(zhì)量不合格，需按照整體技術(shù)流程，逐步分析問題，排除復(fù)雜因素的干擾，找出原因。

4.結(jié)束語

本文通過大型河道水下地形測量模型的構(gòu)建，分析河流地形及水體關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出基于GNSS技術(shù)的大型河道水下地形測量方法，建立大型河道水下地形的聲波檢測模型；在河道水下分布的上一個正方形區(qū)域中，通過GNSS技術(shù)進(jìn)行河道水下地形測量模型構(gòu)建，結(jié)合最小二乘求解非線性方程，獲得定位信息，從而實(shí)現(xiàn)水下地形測量。通過試驗結(jié)果對比分析得出：本文方法的測量精度較高，環(huán)境適應(yīng)性較好，具有一定的應(yīng)用價值。由于條件有限，本文沒有融合使用多種全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位GNSS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參與大型河道水下地形測量試驗，這種融合手段將會進(jìn)一步提升水下地形測量結(jié)果的精度，這將是下一步工作的研究重點(diǎn)。