谈谈长江口深水航道整治工程测量中若干测量技术

谈谈长江口深水航道整治工程测量中若干测量技术 上海达华测绘公司    李岚峰 一、概述 长江口通海航道，是上海市和长江口三角洲经济发展的生命线， 是上海国际航道中心重要的基础设施。长期以来，航道水深不足成为约制地区、社会经济发展的瓶颈。经数十年研究和工程实践，提出了北槽先行处理 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，采用河口整治工程，结合航道疏浚方法。整个工程规模如图（一）所示： 49km北导堤，48km南导堤，1.6km分流口南线堤和相连的3.2km潜堤，南北导堤间总长31.26km的19座丁坝和84km航槽，逾2.4亿m3的疏浚土方量。航道整治的目标水深12.5m.工程分三期进行，一期工程已告竣工，航槽水深从工程前的7.0m（理论最低潮面以下）增加到8.5m。目前正在进行以10.0m水深为治理目标的二期工程，将于2005年建成。继后，将实施三期工程，达到终期目标水深12.5m。 从工程开始起，我公司就承担了这项工程的各种目的测量，如5天一次的84km航槽水深测量，导堤变形观测，浚前扫测，泥沙运动（四淤）观测等，为工程提供了航槽所在水域的水下地物，水下地貌（两者可合称为水下地形）及水、泥运动的现势情况，并作为工程进度、工程质量、施工工艺的调整与安排提供可靠的依据。同时，我们也深感重任在肩，于是在测量中加大技术力度，应用水运工程测量中的先进测绘与技术，给长江口深水航道整治工程最大支持，提供可靠、高效的测绘技术保障。 二、航道工程测量中的新技术简述 1、定位技术 （1）关键在于定位技术与定位模式的选定 由于在该工程中有各类分部项目，它们对定位精度的要求各不相同，如在导堤放样定位或半圆筒导堤的抛设定位中，不仅要求精度高，而且要可靠，方便，快捷，何况工程现场远离陆域，作业面大，施工环境和气候条件时而很差，不可能沾用传统定位方式，因此该工程在施工测量及施工控制中，应用GPS定位技术势在必行，问题是针对长江口深水航道整治特点和长江口地理环境，选用何种类型的GPS定位接收机的类型、何种定位模式。经一番调研，试验，选定法国Sercel公司的5002MK/SK GPS接收机，它具有实时动态差分（RTK）、相位平滑伪距等工作模式，尤其是RTK工作模式是具有LRT（longreal-time）功能，在30~40km范围内，在几十秒内就可以通过OTF算法，求解载波相位整周模糊度。这也满足了长江口的施工地理环境特点。 实时动态差分（RTK—GPS）系统是由三部分组成：①基准站接收机；②流动站（船站）接收机，其中包括支持RTK的软件；③数据链，基准站接收机设在具有已知坐标的参考点位置上（如长江口区的基准站设在横沙），连续接收所有可视GPS信号，并测站坐标，观测值等数据通过数据链发送出去，流动站（船站）在跟踪、接收GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据，通过OTH算法求解相位整周模糊度，再通过相对定位模型取得相对基准站的坐标。OTF算法是RTK的关键技术，一般方法是首先在未知点的附近似坐标和协方差的基础上确定整周模糊度的搜索空间，在搜索空间内计算所有可能的模糊度，然后通过最小方差选择最可能的解，最后通过比较最优解和次优解解决定最后的模糊解。在Sercel 5002MK/SK GPS动态双频GPS接收机能够优效的利用P码/Y码观测值，并求解宽港模糊值，然后求解精确的L1和L2载波相位模糊解，实现动态初始化。 （2）建立GPS工程局域网 在长江口深水航道治理工程开始前，首先考虑了在长江口区建立GPS工程局域网，其作用在于控制测量误差的积累，保证图上 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 的精度均匀和相邻图幅的正确拼接。同时，也考虑准确求定坐标转换参数。 在建网中，为使长江口原有的国家级的控制点获得高精度的WGS-84坐标，与佘山天文台的GPS长期跟踪台站联测，使长江口各控制点的WGS-84坐标的绝对精度与佘山点的精度相当（约0.2m）。 在基线解算上采用了国际著名的GAMIT软件，解算时采用精密星历，平差计算采用同济大学开发的TGPPS软件。 我国的国家高程系统为正常高系统。因此，为得到某点的正常高，需要知道该点的大地高和高程异常。 计算似大地水准面差距和高程异常的方法主要是司托克斯方法和莫洛金斯基方法，这些方法都需要大量重力测量资料，这在一般工程测量工作中是难以满足的，何况利用重力测量方法计算似大地水准面差距和高程异常值在水运工程中是不切合实际的。因此，在建网中，利用布设在长江口的各水位站，如吴淞、长兴、横沙、北槽中、牛皮礁、大戢山、绿华山、芦潮港等水位站及岸上若干有关水准点，建立高程异常网，进行GPS高程拟合，求出测区任一点的高程异常值，为实现GPS动态验潮，直接进行测深的水位改正，充分发挥GPS测量提供三维坐标的功能跨出了可喜的一步。 三、测深技术 以测量船为运载平台，沿着预先设计的测深线航行，通过GPS定位和测深仪测深同步测定深度，构成了水底地面的地貌形态，同时，进行验潮和水位改正，将测量的深度归算为图载水深，然后进行表面制图，即水深图。 在长江口航道水深测量中的测深设备有两种：一是单波束测深仪，二是多波束测深仪。单波束测深仪是常规测深设备，其换能器安装在船舷或固定安装在船底，在沿测深线航行中，不间断向水底发射并接收水底反射的回波脉冲信号，取得测量船测线方向，换能器下方的水底地貌剖面的水深观测数据，水深点的密度由测线间隔在测深线上的采样间隔决定。测线除了主测线以外，还有检查线，布设检查线的目的是为了检测成果的质量，检查线布设尽量与主测深线垂直，其长度为该图幅主测深线总长度的5~10%。 测深仪的测深精度取决于记录器的计时精度、换能器发射的波束角的大小、声波脉冲宽度、换能器姿态的稳定性、平面定位精度，若不包含平面定位误差的影响，一般为测量水深的0.5~1%。 近年来，在长江口深水航道整治工程测量中采用了多波束测深系统（ATLAS FANSWEEP 20型），它是在回波束测深仪基础上发展起来的。 多波束测深系统可在测量断面内形成十几个甚至上百个测深点，无数个回向散射强度数据，从而保证了较宽的扫幅和较高的测点密度。另一方面，较窄的波束，先进的检测技术和精密的声线改正方向的应用，也确保了测点船体坐标的归位计算精度，因而多波束测深具有全覆盖、高精度、高密度和高效率的特点。 ATLAS FANSWEEP 20采用了振幅和相位联合检测技术，保证了测量扇面内波束测量精度的大体一致，为了保证中央波束和边缘波束的分辨率一致，采用等角和/或等面积发射模型，使得中央波束脚印面积同边缘波束的面积相近，测点间距基本一致，保证成图质量，尤其是其换能器由许多声学单元组成，返回信号的振幅、传播时间和入射角都是该系统的观测量，其中回波信号的入射角是位于换能器内部独立工作的相位测量单元通过相位相移测量获得的，系统就能识别不同方向的回波信号，并将它们区分出来，因此，适合具有复杂地貌形态的水深测量。 四、航道中的浮泥层测量 长江年入海水量9240亿m3，年输沙量达4.6亿吨，对悬沙在输移过程中形成的浮泥层淤积在长江口航道，我局以每年1200万m3的疏浚维护方量保持7.0m水深，尤其是长江口深水航道治理工程，以“动态工程”观念来进行治理、施工及管理。因此，对淤泥观测显得格外重要。为了加强长江口泥沙运动（回淤）观测的力度，以及解决我国沿海港口适航水深测量的问题，我公司从荷兰引进了SILAS适航水深测量系统，其工作原理为：利用普通的双频测深仪，向海底发射低频回波信号，声波到达海底后，部分声波被反射而另一部分声波将穿透海底。反射回波的信号强度取决于海底沉积层的密度变化。这种密度变化被定义为“密度梯度”。反射信号的幅度大小是由反射层的密度梯度确定的。密度梯度越大，反射信号越强。由于声波的反射和密度梯度之间的关系是已知的，即每一次发射都是因为密度梯度变化引起的，这样就可以对密度的梯度进行定量化处理。当然，其前提条件是密度的梯度变化必须达到一定的数值，否则是不会有反射的。 如果利用标定过的声源信号来记录反射信号的强度，则可以高精度地测定密度的梯度值，水和海底之间的分界面即是一个很好的例子。要想获得正确的密度梯度，还必须知道信号的增益（放大倍数）及时变增益（TVG）。根据密度梯度的增减变化，每个特定深度上的相对密度值就可以确定了。 同时，还必须知道其绝对密度。绝对密度的建立是通过单点数据测量获得的，通过单点密度测量，可以建立起绝对密度和反射强度之间的对应关系，根据标定点的的对应关系及给定的密度值，推算出泥层属性相同的测线及给定密度所对应的水深值，若测得该点的位置和潮位，进行水位改正，可以绘制淤泥运动，回淤图或适航水深图，为航道整治、减少回淤的措施提供依据，从而使我公司的单一水深转向多种形式的测图，即普通水深图、密度图、适航水深图。 2003年9月5日我公司对长江口深水航道W214+000～W３10+000段航道轴线两侧各60m的范围进行了浮泥层的测量，由于图幅有限，我仅摘取了两个特征断面，情况如下图所示。其中黑线代表的是高频水深，蓝线、红线分别代表浮泥上界面和下界面。 深水航道W214+000～W218+000段航道轴线北侧线（+60m侧） 深水航道W35+800～W38+500段航道轴线 从以上两个断面图可以明显看出浮泥层的存在。但我们如何知道浮泥层有多厚？又如何利用浮泥层的厚度来确定适航水深？所谓浮泥层厚度是指高频测深仪的波束反射界面到与适航密度值相对应的浮泥下界面之间的厚度。适航水深是指用高频测深仪测得的深度基准面以下的深度与适航浮泥层厚度之和。从概念上不难看出，高频测深仪测得的水深很容易求出，而适航水深则与适航密度值有关。根据历年经验，在长江口区域，密度在1.15—1.20g/cm3之间船舶是可以通行的，也就是说长江口深水航道的适航密度值为1.15—1.20g/cm3。为了能够准确得出适航水深，我们在深水航道采集泥样用本系统专用的密度计进行标定，将适航密度值输入系统后进行测量，这样就能够得出适航密度值所对应的适航水深，经水位改正，绘制出适航水深图，为航道疏浚（维护）提供决策依据。 五、结束语 随着现代科学技术的迅速发展，水运工程测量已经突破传统水运测绘的时空局限，开始了一个以数字信息技术为基础，以计算机技术为支撑，以3S（GPS、GIS、GRS）或以GPS、GIS集成技术为代表的现代水运工程测量发展新阶段。在长江口深水航道治理工程投入大量的先进测绘技术，是一个典型的测绘技术全面进入数字化、自动化，从模拟转向数字，从单点测量转向面的测量，从单一产品转为多形式产品。尤其是多波束测深系统的应用，进入了GIS系统的一个前端子系统。