刘士付

（山东正元航空遥感技术有限公司，山东 济南 250101）

地球大部分区域被海洋覆盖，海洋开发前景广阔，比如越来越多的海洋工程建设和航运的需要，以及内陆河流、湖泊、水库等的开发利用及治理管护，对于水下地形的探测需求将会更多。随着卫星导航定位、声学探测、数据通信、计算机数据处理与可视化、图像学和图形学以及现代测量数据处理理论和方法等相关领域的发展，水下地形地貌信息获取技术正在向高精度、高分辨率、自主集成、综合化和标准化方向发展。文章结合生产实际，对几种常见的水下地形测量方法进行探讨。

1 水下地形测量基本原理

无论是海洋还是内陆河湖的水下地形，相对于陆地地形地貌都是偏简单的，基本没有什么建筑物和植被，因此水下地形的测绘主要工作就是定位和水下高程的测绘，个别要求探测水底土质或淤泥厚度。由于有水体的阻隔，水下测量要素虽然不多，但是测绘难度不小。在定位方面，基本上多数是通过GNSS卫星进行定位，部分通过传统的光学测量定位实现。测绘水下高程时，由于水面高程是易于测量的，多数通过测量水深实现水下高程的解算。

2 水下地形测量定位方法

2.1 传统光学定位方法

在短距离内或者GNSS卫星信号不好的区域，可以采用传统光学定位方法进行测量，主要仪器有测距仪、经纬仪、全站仪等，定位方法有前方交会法、后方交会法、极距法。传统光学定位测量法和陆地上测绘方法类似，测站要定位在已知坐标的点上，虽然操作简单，但是受距离限制明显，在水上测量难度也比陆地上大。

2.2 全球卫星导航系统定位方法

全球卫星导航系统（GNSS）进行测量定位是目前测量应用最广泛的定位方法。它的定位非常精准，采用的是某一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间的观测结果，以此形成定位系统的精准度。全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。目前主要的全球卫星导航系统有美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO和中国北斗卫星导航系统。

可以利用GNSS开展测区的控制网布设，进行静态测量平差解算控制点坐标，一般采用RTK作业模式。基准站通过数据链将其观测值及测站坐标信息一起传送给流动站，接收机将接收到的卫星信号和收到的基准站信号实时联合解算，求得基准站和流动站间坐标增量。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机。这对于应用到移动的船舶上测量定位精度方面是基本不受影响的，同时也是应用最广泛的测量定位方法。

2.3 无线电测量定位方法

无线电定位是通过直接或间接测定无线电信号在已知位置的固定点（岸台）与船之间传播过程中的时间、相位差、振幅或频率的变化，确定距离、距离差、方位等定位参数，进而用位置线确定待定点位置（如船位）的测量方法。多应用于海洋的测量定位中，测量定位方式分为测距定位和测距差定位。测距定位精度高，但作用距离短，接受船数量也受限。测距差定位作用距离长，接收船台数量不受限，但是定位精度差，且存在多值性的问题。

3 水底高程测量方法

3.1 测深杆、测深锤

这是最为传统的测量水深的测量方法，原理是先测定出水面高程，再利用测深杆或测深锤测量出水深，即可求得水底高程。这种方法一般只能单点测量，效率很低，且测量不均匀，并且工作量很大。但是对于小范围区域、水质特别浑浊、水草茂盛的水域，采用这种最传统的测深方法是最为稳妥有效的。测深杆可以采用专业的带刻度的标尺，条件不允许的也可以采用普通的竹竿或木杆，如果在杆顶部固定一个GPS接收机，量出杆高输入接收机手簿，则可以像在陆地上测量一样直接测得水底高程。

3.2 单波束测深仪

单波束测深仪包括数字化测深设备、定位设备、数据采集处理设备等。定位设备主要是GPS接收机。测深设备主要是声呐，发射单波束声波到水底并返回，声呐接受回波，根据声波传递时间和速度计算水深。数据采集处理设备主要包括数据接收和处理，还可以进行测深线布设、测量数据的实时显示等。分为单频和多频，多频测深仪可以探测淤泥厚度。如果采用的是单波束，在测线之间很有可能会出现障碍物测量有遗漏的现象，这也是常见现象，因此就会影响海图的可靠性，会使其参照标准降低。常见测探仪的波束都是相对比较宽的，主要原因也是为了实现回波的接收。唯一的不足在于如果海底深度变化快，会让它的测量结果不精准。一些比较简单的设备，使用范围会比较广，如航海保证、海洋开发这些最基本的水深测量可以实现。但是高精度、需要全覆盖测量的区域，一般就很难实现了。对于小范围水域、河道的测深，单波束测深仪方便快捷，效率高，优势明显，但是由于是单点测量，对于大面积海域的测量速度依旧太慢。

3.3 侧扫声呐

侧扫声呐是基于回声探测原理进行水下目标探测的，通过系统的换能器基阵以一定的倾斜角度、发射频率，向海底发射具有指向性的宽垂直波束角和窄水平波束角的脉冲超声波，在触及海底目标后发生反射和散射，利用显示器上显示各表层图像的不同特征，经过图像判读，判别其海底目标特征，用于出露于海床面以上的海底目标探测。侧扫声呐配备有计算机图像处理甚至识别系统，可以分析海底目标的大小、形状、深度等，具有较高的分辨率。但由于侧扫声呐只能对波束空间进行粗略定向，因此对于海底目标深度不能精确测定，详细精确探测还得借助潜水员潜摸、单波束测深仪探测、多波束测深设备扫海等其他办法辅助。

3.4 多波束测深仪

多波束测深系统是目前水下测深中最先进的仪器之一，发展应用虽然只有几十年的时间，但其研究和应用已达到了较高的水平。多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度高等优点。测探技术之前都是点线状，现在可以扩展到面状，最重要的是还可以实现立体方式的测图。简单来说，就是把传统的水下地形测量技术推向了一个新的高峰。多波束测深有很多优点，涉及的具体细节如下：（1）可以同步很多测深点；（2）测量工作效率比较高；（3）可以全覆盖测量。以上三个较为突出的优点可以很好地实现往常不能实现的测量工作。日常测量工作难度系数比较大，主要体现在大面积海域、大比例尺的测绘和特殊要求的水道地形测量等。多波束测深现已朝着高精度、智能化、多功能的组合式测深系统方向发展。

4 水下地形测量新方法

4.1 无人测量船

无人测量船基本的测量原理仍然是搭载传统的探测系统（单波束或多波束系统、侧扫声呐、CCD相机、水下三维激光扫描仪等），但是它是搭载在具有自动控制系统的无人测量船上，可以使人们像操纵无人机一样开展水下测量获取测区水下地形、地貌、水文及水质等信息。其优点是开展水下测量不需要租用船只将测量设备再安装调试，而且操作机动灵活，缺点是无人船续航时间短，且抗风浪能力差。

4.2 机载激光测量

机载激光测量已广泛应用于陆地测量，近年来也开始应用于水域测量。与声波探测相比，机载激光探测可以避开海浪的干扰。普通光学遥感对水体穿透度十分有限，激光测量就不会存在这些问题。机载激光测量有效地克服了传统测深方式周期长、机动性差、测深精度低、测区范围有限等缺点。机载激光测量原理是按照光波在海水中的传播特性，0.47～0.58μm的蓝绿光波段存在一个能量衰减程度相对较小的透射窗口。同时，为了克服入射角所造成的干扰，通常采用较低功率的宽波束脉冲（红外光）探测水面，采用大功率的窄波束脉冲（蓝绿光）探测水底。

5 结束语

随着计算机、卫星定位、通信、AI等技术的快速发展，水下地形测量技术方法也在向更加简便、高效、智能、更高精度的方向发展，以满足不同用户的多样化的需求。文章结合生产实际，探讨了几种常见的水下地形测量方法，为满足不同的产品需求，可以选择不同的水下地形测量仪器和测量方法，为开展相关的水下测量项目提供有益的参考。