談談水下地形測量
一、GIS的應用
GIS是一種為了獲取、存儲、模擬、檢索、分析和顯示空間數(shù)據(jù)而建立的計算機化的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。這里的空間數(shù)據(jù)是指采用不同方式的遙感與非遙感手段獲得的數(shù)據(jù),它有多種數(shù)據(jù)類型,包括地圖、遙感、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等,它們的共同特點是都有確定的空間位置。GIS的處理對象是空間實體,其處理過程正是依據(jù)空間實體的空間位置與空間關系進行的。它的主要功能遍歷數(shù)據(jù)采集-分析-決策-應用的全部過程;它的應用領域是地理、規(guī)劃與管理等許多行業(yè)。
隨著信息技術的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的水下地形測量數(shù)據(jù)管理、分析方式越來越無法滿足現(xiàn)代海洋測繪的發(fā)展需要,引入GIS技術推進水下地形測量數(shù)據(jù)現(xiàn)代化管理勢在必行。利用GIS實現(xiàn)對水下地形測量數(shù)據(jù)的管理,可以加速水深測繪的信息化進程。利用GIS空間分析手段從數(shù)據(jù)庫中提取地形、地貌、水文特征、航運狀況等數(shù)據(jù)進行處理變換和綜合分析,獲取相關的知識,并以圖形形式直觀地加以表達為確定規(guī)劃建設方案提供科學的決策輔助信息。
GIS在水下地形測量數(shù)據(jù)管理及分析中的應用,主要目的有兩個,一是實現(xiàn)大量測量數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)的存儲管理有序性,二是利用GIS強大的空間分析功能實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的分析。圖1總結了GIS在水下地形測量數(shù)據(jù)管理及分析中的應用的框架,空間數(shù)據(jù)存儲在GIS自有的空間數(shù)據(jù)庫中,相關的輔助數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)可以存儲在關系型數(shù)據(jù)庫中。下面詳細闡述具體實現(xiàn)過程�！�
圖1GIS在水下地形測量數(shù)據(jù)管理、分析的應用框架
1．水下地形測量數(shù)據(jù)管理
水深、水下地形測量涉及的數(shù)據(jù)可以歸納為兩個部分,一是原始數(shù)據(jù),二是處理數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù)是在原始數(shù)據(jù)的基礎上產生的。原始數(shù)據(jù)主要包括:利用RS,GPS常規(guī)測量等測量手段獲取野外數(shù)據(jù);利用數(shù)字測深儀測量的水深數(shù)據(jù)等。處理數(shù)據(jù)主要包括:水深點位的三維坐標,數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM),水深值等。
上文已經討論目前采用文件形式來管理水下地形測量數(shù)據(jù)存在著諸多不便,及GIS在數(shù)據(jù)存儲管理中存在優(yōu)勢,現(xiàn)有的GIS平臺數(shù)據(jù)庫有關系型數(shù)據(jù)庫(MapInfo)、面向對象的地理數(shù)據(jù)庫(ArcGIS-Geodatabase)等,將水下地形測量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)錄入GIS數(shù)據(jù)庫,可以實現(xiàn)水下地形測量數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)高效存儲與管理。
2．基于GIS的水下地形數(shù)據(jù)分析
水下地形分析是工作中重要的一個環(huán)節(jié)。在獲取了大量數(shù)據(jù)之后,要針對這些數(shù)據(jù)進行加工處理,生成有用的信息,即是水下地形分析。水下地形測量常做的數(shù)據(jù)分析有:等值線生成,數(shù)字高程模型建立,工程計算,利用DEM進行沖淤分析,疊置分析,緩沖區(qū)分析,任意剖面線生成、模擬水下飛行等等。
體積和表面積的計算在工程量計算、水庫淹沒分析等應用中非常重要。通常采用近似的方法計算體積,利用GIS平臺軟件,結合已有的數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)指定區(qū)域土體體積和表面積的計算。
利用DEM進行沖淤分析。在分析水下地形中經常關心的是同一地方不同時間的沖淤量問題,為生產和研究提供依據(jù)。可以充分利用上述建立的DEM模型(直接建立或者直接從數(shù)據(jù)庫打開的模型數(shù)據(jù)),確定需要作比較的兩期數(shù)據(jù),利用它們的DEM模型,將兩個DEM模型疊加相減,得出差數(shù)值即是比較的結果。在利用模型疊加分析時,重點注意以下兩個方面的問題:①模型相疊加的條件并不是任意兩個DEM模型都可以疊加,兩個模型需要具有可以相比的條件,即二者必須有相同的格網參數(shù)。這樣兩個模型的格網便可以完全對應起來,同時具有內插值的格網點便可以直接相減,得到對應格網所需的差值,否則對應格網點就得不到差值。②沖淤量的計算通常采用斷面法,即通過斷面的面積與間距相乘累加得到。
緩沖區(qū)分析。緩沖區(qū)分析是通過對點、線、面目標劃出的一定范圍的緩沖區(qū)域進行分析,以判斷它們的影響范圍。例如碼頭的選地址,要考慮它對周圍環(huán)境的影響,包括運輸、儲運等,此時可以將碼頭看作一個點給出緩沖區(qū)半徑,進行緩沖區(qū)分析。GIS中的緩沖區(qū)分析或稱buffer操作是GIS空間分析操作中的一個重要的模塊,利用GIS軟件可以很容易實現(xiàn)緩沖區(qū)分析。
模擬水下飛行。在三維水下數(shù)字地形模型的基礎上,用戶可以模擬水下飛行對工程區(qū)進行多方位觀察,自由設置觀察飛行路線和角度,從而為更好的分析水下工程環(huán)境、確定水下工程位置提供了親臨其境的觀察條件。
二、水下地形測量
1．測深設備的安裝使用
我們采用的中海達HD-27測深儀,測深儀在使用前應進行動態(tài)、靜態(tài)比對試驗。測深儀一般安裝在測量船的中舷處,因為中舷處在航行中吃水線變化最小,測深儀換能器以安裝在水下50cm至船底略高位置為宜,但要避免被測區(qū)水下漁網和雜物碰撞。測深儀設置包括吃水深度設置,聲速設置。
2．斷面線的布設
在水下測量過程開始前先要在測深儀進行水下測深斷面線的布設,斷面線要求垂直水流方向布設,斷面線間距為40m,在河道轉彎處進行適當?shù)募用堋?/p>
3．基準站的設立
為了在保證在測量過程中能快速及高精度的固定解,基準站應該符合一下要求:(1)GPS-RTK基準站宜選擇在等級控制點上,也可以選擇在測區(qū)中心區(qū)域臨時固定點上;(2)用電臺進行數(shù)據(jù)傳輸時,基準站宜選擇在測區(qū)相對較高的位置;(3)用移動通信進行數(shù)據(jù)傳輸時,基準站必須選擇在測區(qū)有移動通信接收信號的位置;(4)對于需長期和經常使用的基準站,宜埋設有強制歸心的觀測墩;(5)在基準站應該設在開闊的地域,在仰角10°的范圍內因沒有遮擋物。
4．水下地形測量
水下地形測量應根據(jù)天氣、風浪、潮汐等情況,合理安排時間,當風浪較大,氣候惡劣,影響人身,儀器安全的時候應停止測量。在測深儀里將上述求得的七參數(shù)設置在測量軟件里,并進行已知控制點的校核,在校核無誤后方可進行測量。
為了保證測量的精度,還應注意:RTK流動站的接收機天線應與換能器在同一垂線上,并保證在RTK固定解的情況下進行施測。測定測量斷面線時,應先將測量船導航至斷面位置,在按指定的間距進行測點定位與測深,在測深儀中進行記錄,并實時修正船的航向。
三、需要注意的問題
1．基準站一般應選在周圍視野開闊，避免在截止高度角15°以內有大型建筑物；避免附近有干擾源，如高壓線、變壓器和發(fā)射塔等；不要有大面積水域；為了讓基準站差分信號能傳播的更遠，基準站一般應選在地勢較高、地質條件好、點位穩(wěn)定、易于保存的地方，同時顧及施測的便利，盡可能利用原有的標石觀測墩。
2．考慮到測點平面位置與測深儀水深值的同步問題，以及GPS所測的水面點與測深儀所測水下點是否重合的問題。因此，要求GPS接收天線和測深儀的探頭安裝在一條垂線上，而接收GPS的定位信號和測深儀所接收的測深信號必須同步，否則都要進行相應的改正。探頭一般要求安裝在船的側邊，以免后面的浪花影響測深的精度。
3．測船速度的確定。測量船的航速是一個直接影響測量成果的重要因素。航速過快，會造成接收GPS的定位信號和測深儀所接收的測深信號同步性減弱，點位坐標精度急劇下降，從而影響水下地形測繪的精度，而過慢時，會造成測量數(shù)據(jù)過多過密，使后期數(shù)據(jù)處理過程過于繁瑣，影響效率。所以船速要選擇合適，既要保證測量精度，又保證采集數(shù)據(jù)真實有效的反映實際地形。
四、結論與建議
（1）RTK應用于水下地形測量是一種理想的作業(yè)方式，在工程測量中應大力推行。
�。�2）在通視條件較差的地區(qū)，應用RTK測量，可以減少測站轉點數(shù)量，加快測量速度，從而提高工作效率并保證質量。
（3）RTK的無線電數(shù)據(jù)鏈在樹木較多地區(qū)或高坎下，工作鏈接質量較差，求得固定解的時間較長,操作人員需要耐心，不能以浮點解替代固定解。
