三维水深测量技术在山区河道测量中的适应性分析

赵启新,魏庆镇

魏庆镇37098319770502181X

摘要：三维水深测量技术可以有效避免传统验潮模式下水位测量误差、河心比降引起的水位误差、测船动态吃水及涌浪的影响，在山区型河道水下地形测量中具有很好的应用前景。

关键词：三维水深测量技术；山区河道测量；适应性分析

1三维水深测量原理

1.1传统RTK测量技术

利用传统RTK测量技术获取GNSS接收机的平面位置，量取换能器的吃水深度h，由测深仪测出换能器底部至河底垂直距离s，测得水位值W，便可推算出河底点的高程H河底。

1.2三维水深测量技术

利用RTK测量技术获取GNSS接收机的空间位置，量取测杆的长度l，由测深仪测出换能器底部至河底垂直距离s，H1为GNSS天线到深度基准面的距离，H2为水下测点相对于深度基准面的标高，ε为深度基准面至参考椭球面的距离。在山区河道实际测量中，深度基准面即为似大地水准面，则ε为高程异常。

2水深测量的误差

2.1在水深测量中换能器垂直误差

在水深测量中，一是测量环境如载重、受力不均、风浪等不利因素会导致测船吃水、姿态发生变化；二是换能器安装不垂直，使换能器固定杆产生前后、左右倾斜，引起水下测点的平面位置及高程出现误差。测量作业中，一是通过测深杆顶部水平气泡进行换能器垂直度及倾斜度监控；二是通过测深杆的吃水刻画进行吃水监控。如有异常，及时进行调整、记录。外业观测结束后，对测深数据进行改正。

2.2在水深测量中测深系统及测深延迟误差

测深系统的误差。一般情况下，测深系统主要由GNSS、测深仪及换能器固定杆等组成。测深系统的精度由GNSS高程精度MGNSS、测深仪测深精度Ms及换能器固定杆长量取精度Ml决定。

在测量过程中，采用高精度的GNSS接收机及测深仪，使用精度±1mm的钢尺量取换能器固定杆的长度3次并取平均作为最终结果。

测深延迟误差。①HY1601单波束测深仪的测深时间与GNSS接收机瞬时记录时间不同步造成系统性的误差。按测深正常船速v=2m/s，时间延迟dt=0．1s，则位移量S=v×dt=0．2m。②船速引起的误差。水深测量过中声波在水体中发射和接收需要一段时间，船速过快会导致声波接收时已经走了一段距离，引起测量误差，如图3所示。假设船速v=2m/s，声速V=1500m/s，水深Dmax=35m，则位移量S=

d/2=(D×v)/V=0．047m。可知：船速v越大，水深D越大，引起的位移量S越大。

声速变化引起的误差。理想状态下，声波在同一种均匀介质中沿直线恒速传播。但是，受水体中水温、盐度等因素影响，声波不能保持恒速、直线传播的特性。依据水道观测规范，水深小于150m水体声速C与水温T、盐度S的关系如下：

C=1410+4．21×T－0．037×T2+1．14×S

山区型河道盐度为0，盐度引起的声速误差不予考虑，水温随着深度的增加而递减。在浅水区域测量时，声速变化带来的水深误差可忽略不计。在深水区域测量时，须考虑水温的影响，精确求取声速改正值。

2.3高程异常改正误差

GNSS高程拟合，对于地形起伏变化不大的区域采用多项式拟合法，对于大面积地形复杂区域采取分区拟合。大量实践证明，测区内GNSS水准点分布均匀，点位精度高，拟合模型好，高程异常值的精度可达厘米级。

利用区域似大地水准面精化模型，对获得的水下测点大地高进行后处理。

采用精度高、分辨率高、阶次多、拟合好的多阶EGM2008重力场模型，对获得的水下测点大地高进行高程精化。EGM2008重力场模型用于无验潮水深测量的精度可达厘米级，且不受区域、地形起伏等因素限制，进一步提高了无验潮测深的精度和作业效率。

3水深测量数据采集与处理

3.1做好采集数据工作

试验区位于某水电站坝下游，是典型的山区型自然河道，水深范围在0-35m。受电站调节影响，该河段水流紊乱、水位变幅相对较大，特别适合三维水深测量试验研究。测区被YNCORS信号全覆盖，测量条件良好。测前，完成了测区资料收集、野外踏勘、临时水位站位置选取等工作。测中，每天作业开始前、后均对换能器吃水深及垂直度进行检查并记录；用水温计入水观测7min量取水体水温2次，取平均水温根据公式改正校正声速；河段上下游水位落差超20cm时，对水位观测进行加密；临时水位站采用水尺及垂直水面的混凝土坎进行观测并记录，保证水位观测稳定、可靠。

3.2完善数据处理工作

试验获取了水下测点平面坐标、大地坐标及水深、水位等多种数据。数据处理工作主要包括数据滤波、声速校正、延时及潮位改正。

数据滤波。通过HYPACK软件设置阈值剔除不合格数据。

声速校正及延时改正。每天作业开始前，用水温计入水观测7min量取水体水温2次，取平均水温根据公式校正声速。测量过程中，每天通过布置检查线并进行往返测，利用HYPACK软件求取延迟并进行改正，转换成具体要求的高程值。目前，常用的水位改正采用单站改正、双站改正和多站改正。本次试验根据测区的临时验潮站布设位置及观测时间，结合水下测点施测时间和测点的位置，采用多站改正对每条测线进行水深数据的潮位改正。

4试验结果分析

4.1完善水面高中误差统计

三维水深测量垂直基准采用测区七参数计算每个测点的水面高，得出水面高中误差分。在水面高中误差平均值为0．02319m，中误差在0．1m以内占比高达99．5%，说明三维水深测量在山区河道测量中具有较高的可靠性。

4.2完善高程偏差统计

对两种模式下获取的水下高程点进行统计分析，计算得到7000个重合点高程偏差。统计结果显示，水下测点高程偏差在－0．38-0．35m之间，平均偏差为－0．20m，中误差为0．09m。其中，高程偏差在（－0．4m，－0．3m）范围的样本数为932，平均偏差为－0．33m，占总样本数13．3%；高程偏差在（－0．3m，－0．2m）范围的样本数为3052，平均偏差为－0．24m，占总样本数43．6%；高程偏差在(－0．2m，0．2m）范围的样本数为2998，平均偏差为－0．12m，占总样本数42．8%；高程偏差在(0．2m，0．4m）范围的样本数为18，平均偏差为0．28m，占总样本数0．3%。说明三维水深测量技术获取的水下地形数据与传统验潮法具有较好的一致性。

5结束语

综上述，山区河道水流湍急，水位变化大，河心比降无规律。因河段水位站网不健全，人工水位实时观测难度大，单个测点水位改正精准度低，船体受动态吃水及涌浪影响大等因素制约，传统方法水深测量精度难以有效控制。目前，三维水深测量技术在海洋测绘中的应用较为广泛，可以很好地解决传统基站架设与切换和水位观测所耗费的人力、物力及财力，有效避免水位测量误差、河心比降引起的水位改正误差、测船动态吃水及涌浪的影响，简化测量工序，降低生产成本，提高作业效率。

参考文献

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