谈谈水下地形测量

　　一、GIS的应用
　　GIS是一种为了获取、存储、模拟、检索、分析和显示空间数据而建立的计算机化的数据管理系统。这里的空间数据是指采用不同方式的遥感与非遥感手段获得的数据,它有多种数据类型,包括地图、遥感、统计数据等,它们的共同特点是都有确定的空间位置。GIS的处理对象是空间实体,其处理过程正是依据空间实体的空间位置与空间关系进行的。它的主要功能遍历数据采集-分析-决策-应用的全部过程;它的应用领域是地理、规划与管理等许多行业。
　　随着信息技术的飞速发展,传统的水下地形测量数据管理、分析方式越来越无法满足现代海洋测绘的发展需要,引入GIS技术推进水下地形测量数据现代化管理势在必行。利用GIS实现对水下地形测量数据的管理,可以加速水深测绘的信息化进程。利用GIS空间分析手段从数据库中提取地形、地貌、水文特征、航运状况等数据进行处理变换和综合分析,获取相关的知识,并以图形形式直观地加以表达为确定规划建设方案提供科学的决策辅助信息。
　　GIS在水下地形测量数据管理及分析中的应用,主要目的有两个,一是实现大量测量数据及辅助数据的存储管理有序性,二是利用GIS强大的空间分析功能实现测量数据的分析。图1总结了GIS在水下地形测量数据管理及分析中的应用的框架,空间数据存储在GIS自有的空间数据库中,相关的辅助数据、属性数据可以存储在关系型数据库中。下面详细阐述具体实现过程。
　　
　　图1GIS在水下地形测量数据管理、分析的应用框架
　　1．水下地形测量数据管理
　　水深、水下地形测量涉及的数据可以归纳为两个部分,一是原始数据,二是处理数据,处理数据是在原始数据的基础上产生的。原始数据主要包括:利用RS,GPS常规测量等测量手段获取野外数据;利用数字测深仪测量的水深数据等。处理数据主要包括:水深点位的三维坐标,数字高程数据(DEM),水深值等。
　　上文已经讨论目前采用文件形式来管理水下地形测量数据存在着诸多不便,及GIS在数据存储管理中存在优势,现有的GIS平台数据库有关系型数据库(MapInfo)、面向对象的地理数据库(ArcGIS-Geodatabase)等,将水下地形测量数据、属性数据录入GIS数据库,可以实现水下地形测量数据及属性数据高效存储与管理。
　　2．基于GIS的水下地形数据分析
　　水下地形分析是工作中重要的一个环节。在获取了大量数据之后,要针对这些数据进行加工处理,生成有用的信息,即是水下地形分析。水下地形测量常做的数据分析有:等值线生成,数字高程模型建立,工程计算,利用DEM进行冲淤分析,叠置分析,缓冲区分析,任意剖面线生成、模拟水下飞行等等。
　　体积和表面积的计算在工程量计算、水库淹没分析等应用中非常重要。通常采用近似的方法计算体积,利用GIS平台软件,结合已有的数据可以实现指定区域土体体积和表面积的计算。
　　利用DEM进行冲淤分析。在分析水下地形中经常关心的是同一地方不同时间的冲淤量问题,为生产和研究提供依据。可以充分利用上述建立的DEM模型(直接建立或者直接从数据库打开的模型数据),确定需要作比较的两期数据,利用它们的DEM模型,将两个DEM模型叠加相减,得出差数值即是比较的结果。在利用模型叠加分析时,重点注意以下两个方面的问题:①模型相叠加的条件并不是任意两个DEM模型都可以叠加,两个模型需要具有可以相比的条件,即二者必须有相同的格网参数。这样两个模型的格网便可以完全对应起来,同时具有内插值的格网点便可以直接相减,得到对应格网所需的差值,否则对应格网点就得不到差值。②冲淤量的计算通常采用断面法,即通过断面的面积与间距相乘累加得到。
　　缓冲区分析。缓冲区分析是通过对点、线、面目标划出的一定范围的缓冲区域进行分析,以判断它们的影响范围。例如码头的选地址,要考虑它对周围环境的影响,包括运输、储运等,此时可以将码头看作一个点给出缓冲区半径,进行缓冲区分析。GIS中的缓冲区分析或称buffer操作是GIS空间分析操作中的一个重要的模块,利用GIS软件可以很容易实现缓冲区分析。
　　模拟水下飞行。在三维水下数字地形模型的基础上,用户可以模拟水下飞行对工程区进行多方位观察,自由设置观察飞行路线和角度,从而为更好的分析水下工程环境、确定水下工程位置提供了亲临其境的观察条件。
　　二、水下地形测量
　　1．测深设备的安装使用
　　我们采用的中海达HD-27测深仪,测深仪在使用前应进行动态、静态比对试验。测深仪一般安装在测量船的中舷处,因为中舷处在航行中吃水线变化最小,测深仪换能器以安装在水下50cm至船底略高位置为宜,但要避免被测区水下渔网和杂物碰撞。测深仪设置包括吃水深度设置,声速设置。
　　2．断面线的布设
　　在水下测量过程开始前先要在测深仪进行水下测深断面线的布设,断面线要求垂直水流方向布设,断面线间距为40m,在河道转弯处进行适当的加密。
　　3．基准站的设立
　　为了在保证在测量过程中能快速及高精度的固定解,基准站应该符合一下要求:(1)GPS-RTK基准站宜选择在等级控制点上,也可以选择在测区中心区域临时固定点上;(2)用电台进行数据传输时,基准站宜选择在测区相对较高的位置;(3)用移动通信进行数据传输时,基准站必须选择在测区有移动通信接收信号的位置;(4)对于需长期和经常使用的基准站,宜埋设有强制归心的观测墩;(5)在基准站应该设在开阔的地域,在仰角10°的范围内因没有遮挡物。
　　4．水下地形测量
　　水下地形测量应根据天气、风浪、潮汐等情况,合理安排时间,当风浪较大,气候恶劣,影响人身,仪器安全的时候应停止测量。在测深仪里将上述求得的七参数设置在测量软件里,并进行已知控制点的校核,在校核无误后方可进行测量。
　　为了保证测量的精度,还应注意:RTK流动站的接收机天线应与换能器在同一垂线上,并保证在RTK固定解的情况下进行施测。测定测量断面线时,应先将测量船导航至断面位置,在按指定的间距进行测点定位与测深,在测深仪中进行记录,并实时修正船的航向。
　　三、需要注意的问题
　　1．基准站一般应选在周围视野开阔，避免在截止高度角15°以内有大型建筑物；避免附近有干扰源，如高压线、变压器和发射塔等；不要有大面积水域；为了让基准站差分信号能传播的更远，基准站一般应选在地势较高、地质条件好、点位稳定、易于保存的地方，同时顾及施测的便利，尽可能利用原有的标石观测墩。
　　2．考虑到测点平面位置与测深仪水深值的同步问题，以及GPS所测的水面点与测深仪所测水下点是否重合的问题。因此，要求GPS接收天线和测深仪的探头安装在一条垂线上，而接收GPS的定位信号和测深仪所接收的测深信号必须同步，否则都要进行相应的改正。探头一般要求安装在船的侧边，以免后面的浪花影响测深的精度。
　　3．测船速度的确定。测量船的航速是一个直接影响测量成果的重要因素。航速过快，会造成接收GPS的定位信号和测深仪所接收的测深信号同步性减弱，点位坐标精度急剧下降，从而影响水下地形测绘的精度，而过慢时，会造成测量数据过多过密，使后期数据处理过程过于繁琐，影响效率。所以船速要选择合适，既要保证测量精度，又保证采集数据真实有效的反映实际地形。
　　四、结论与建议
　　（1）RTK应用于水下地形测量是一种理想的作业方式，在工程测量中应大力推行。
　　（2）在通视条件较差的地区，应用RTK测量，可以减少测站转点数量，加快测量速度，从而提高工作效率并保证质量。
　　（3）RTK的无线电数据链在树木较多地区或高坎下，工作链接质量较差，求得固定解的时间较长,操作人员需要耐心，不能以浮点解替代固定解。