徐 光
张家港市长江治理工程管理处
苏州地区水网密布，江河湖泊众多。本地区水文勘测单位近年来通过引进国外先进探测技术及仪器设备，应用GPS、水下机器人、多波束测深系统、RS、GIS、Surfer等硬件和软件技术对水下现场实时探测，目前可以完成以下工作：
· 利用水下机器人系统可以获取高分辨率的水下地形和建筑物彩色图像和声纳图，可应用于水下监测、高分辨率的水下管线探测、水下建筑物探伤、水下打捞、水下测量等诸多方面。（图1）
· 利用多波束测深系统和GPS相结合可高精度、快速地进行水下地形的测量工作，绘制水下建筑物的三维立体图及水下地貌图，并可通过后处理软件完成对以上图形的存储、叠加、编辑处理、打印等工作。
· 利用GPS、GIS、RS(遥感)即3S技术可对河流、地形信息的综合分析处理及三维模拟，为决策提供科学的信息支持，该部分目前尚未广泛应用。
· 利用多普勒探测技术，快速测量不同水层的三维流速和流向，可实时测出河流流速和流向的变化，为防汛服务。（图2）
一、GPS技术在苏州市水下地形测量的应用
全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国军方研制的第一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。
相对于经典测量学来说，GPS测量主要有以下特点：
(1)测站之间无需通视，但测站上空必须开
阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。
(2)定位精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。大量实验证明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500km的基线上可达10-6～10-7。
(3)观测时间短。在小于20km的短基线上，快速相对定位一般只需5min观测时间即可。
(4)提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，也可以测定观测站的大地高程。
(5)操作简便。GPS测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态，而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。
(6)全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。用于水下地形测量则要排除雾和大风的天气。
例如我单位引进的Trimble DSM12/212动态GPS产品是专为水下测量开发的，它能在精确定位、港口工程、水下清淤、水道测试、水下救捞等工作中提供亚米级的精度，在任何环境下均能保持优良的特性。并具有小巧、易于使用和设置、低延时、高速率位置输出、高抗干扰能力的优点。ASH-BC实时导航定位系统是利用亚米级的Trimble DM12/212动态GPS信标接收机，接收相应的差分信息，结合本身的GPS定位数据，实时地给出当前的地方坐标系坐标，并能根据工程需要，完成定向、放点、导航、施工控制等任务。
应用GPS进行水下地形测量的思路是：运用GPS和导航软件对测量船进行定位，并指导测量船在指定测量断面上航行，导航软件每隔一个时间段自动纪录水深数据，并进行验证潮位改正，输出数据在MAP2000中成图，再进行修改，得到符合要求的1：10000国际分幅的水下地形图。（图3）若同时结合其他新技术的使用，可以完成各类涉水的测量工作。从2003年测量结果来看，GPS在水下地形测量的应用，大大提高了测量的精度，减少了工作量，缩短了工作日，并且输出的数字化的水下地形图，为今后地理信息系统的建立和管理创造了有利的条件。
1．GPS在长江水道地形测量中应用情况
长江苏州段长约170km，应用常规方法进行一次长程水道地形测量，从外业测量到内业成图需要1年的时间，但是应用静态GPS施测两岸控制，实时差分水道测量系统施测水下部分，仅需要1个月时间，大大缩短了成图周期，提高了水道地形图的时效性。长江干流(包括部分重要支流)苏州段主要属冲积性河道，一般2月施测一次1:10000水下地形，特大洪、枯水年适当增加测次。如1998年长江大洪水后，长委及时安排了长江中下游1:10000长程水道地形测量，施测的范围包括苏州全段。
2．GPS在湖泊水下地形测量中应用情况
由于苏州地区湖区水系复杂、洲滩密布，树林、芦苇套种，地形相当复杂，历史上一些测量单位都只能望湖兴叹。2003年我单位调集3套GPS水道测量系统协同作战，仅用1个月的时间就完成了太湖湖区全部的内外业工作，提交了一套完整的苏州太湖湖区水道地形图。根据该测图量算出的湖泊面积和容积曲线，提出了最权威的数据，为湖区规划治理提供了依据。（图5）
二、多波束系统等其他新技术其他水下测量新技术在水下测量中的应用。
为打破传统的测绘手段和测绘模式，本地区一些测绘单位加大引进和开发高新技术的力度，重视高科技投入。以我单位为例，目前已引进开发四种品牌的GPS卫星定位系统10套，在防洪、水下地形、固定断面及其他水文测验中发挥了较好的作用。 DGPS与MD300测深系统的结合在长程水道地形测量及湖泊测量中取得了令人满意的效果。DGPS、红外仪、微波定位仪、数字化仪、水下多波束扫描系统已得到开发应用。现已完成GIS的前期准备工作，为全面开发水下地理信息系统作好了准备。新技术的引进、先进仪器的应用，使水下测绘向智能型转变成为现实。
1．多波束系统特性
多波束测深及旁侧声纳系统利用超声波原理进行工作，通过发射和接收声波信号，由声波在水体中的传播时间与声速的乘积即可计算出水深。多波束探头由发射探险头和接收换能器组成，它之所以被称为多波束，是因为有多达60个相互独立的接收换能器，一次声波发射，可由60个接收探头采集60个水深点信号，接收信号由计算机记录。这60个接收换能器呈90°夹角互成1.5°角的扇面分布。这样，它对水下地形测量是以一种全覆盖的方式进行，因此，它与目前常规单波束比较，具有测深点多、测量迅速快捷、全覆盖等优点。正是由于这些优点，它能完成常规方法难以胜任的测量任务，特别是对大比例尺的测绘和特殊要求的水道地形测量，如堤防安全监测、险工险段监测、抛石护岸监测、港口及疏滩工程测量、工程监理监测等。
2．多波束与单波束优越性比较
多波束测深系统可实现一幅60个声波束的测量，并且每幅60个波束交叉覆盖点90°×1.5°区域，每秒1.7～15次的更新速率完全可以真实地反映河床地形，这与单波束测深仪有着明显的区别，单波束测量是线的关系(断面)，而多波束是面状(区域)。
多波束系统对管线的调查、防洪堤、港湾、护岸抛石的测量、固定物体的寻找都有它独特的优越性。对于水下地形测量，采用多波束测深系统，可以真实反映水下地形。而单波束施测水下地形是在区域内均匀布设断面，并将断面上的数据进行摘录成图，生成等值线采取直线插补，因数据采集不够时，不能完全反映地形真实变化，生成的地形等值线存在一定偏差。
因多波束系统要求100%的覆盖，在施测时，相应增加了工作量，对于大比例尺(1:2000以上)均能提高功效，但对于1:50加以下水下地形测量，就不能充分发挥其快速的优点。
3．多波束系统应用
水深测量采用多波束条带方式对水底进行全覆盖测量、多波束系统采集的数据，可以利用其后处理软件(Caris软件)制作各种比例尺的水下地形图，特别是大比例尺(1:500或1:1000)。如果利用常规的测绘方法，不仅费时费力，而且难以满足精度要求，而多波束系统由于其对水下地貌信息一览无余，（图7）（图4）因此，能满足用户提出的各种比例尺成图的要求，大大地缩短了成图周期。而且可以利用新测图与老测图进行对比，计算其冲淤变化量。整个系统从外业数据采集到室内成图全过程实现了自动化、智能化和数字化。
多波束系统在防洪减灾中的应用具有巨大的经济效益和社会效益。由于多波束系统具有实时监测功能，可以现场监视水下地物地貌的细微变化、因而在堤防安全、溃口、崩岸监测、水下物体摸探及打捞等方面具有其他方法不可替代的作用。例如对张家港险段采用多波束系统进行监测，可以从该系统的监视器上清楚地了解堤岸冲刷的状态、抛石护岸的情况等，从而提出相应的对策。对沙钢江段、福南水道（张家港港区段）河段堤防进行的监测，可以为长江整治提供了精确的水下地形资料。
4、水下地形冲淤情况分色对比系统等软件的应用
水下地形冲淤情况分色对比系统是采用美国Gold Software公司2002年推出的Surfer地图系统为基础的一个软件系统，该系统采用水下地形测量数据为原始数据，在同一坐标系中加载需要对比的两个时间段的水下地形，系统自动计算出相同点上不同时期的高程变化值ΔZ，然后按照ΔZ值的不同分别赋予不同的颜色，使水下冲淤情况一目了然，同时可按照需要生成不同比例的三维立体图形，供上级部门了解、判断和决策。（图6）MAP 2000是中翰公司开发的，运行在Autocad R14平台上的具有自主版的专业测绘应用软件，含盖了现场作业到图板数字化和扫描矢量化等内外业所有作业方法。可完成地形测量(陆上和水下)、施工放样、断面数据和土方/库容量提取、比例尺缩放、图/数/编码转换和信息提取、DTM立体模型生成和渲染、与GIS数据交换等工作。
通过上述新技术的综合应用，能够迅速获取水下地形地貌、地质、水流以及影像资料，可以为工程建设、防汛减灾、水文研究提供科学的决策支持。通过该系统的运用，今年陆续完成了长江苏州段以及一批重要湖泊、港口的监测任务。为长江苏州全段的防汛安全、深水岸线和土地资源的开发、航道整治都起到了重要作用，该系列技术目前在国际上处于先进水平。
