城市湖泊庫(kù)容勘測(cè)方法對(duì)比研究

楊伯鋼，張勁松，霍滿軍

(1.北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038；2.城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

城市湖泊庫(kù)容勘測(cè)方法對(duì)比研究

楊伯鋼1，2，張勁松1，2，霍滿軍1，2

(1.北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038；2.城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

對(duì)使用RTK技術(shù)聯(lián)合地質(zhì)雷達(dá)或聲吶測(cè)深儀對(duì)昆明湖庫(kù)容測(cè)量進(jìn)行了對(duì)比研究，針對(duì)城市湖泊勘測(cè)的具體特征分析了兩種方法勘測(cè)的原理，總結(jié)了兩種勘測(cè)方法的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，分析了兩種方法各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并為其他湖泊庫(kù)容勘測(cè)工作提出了建議。

地質(zhì)雷達(dá)；聲吶測(cè)深儀；RTK；城市湖泊；庫(kù)容勘測(cè)

一、引 言

城市湖泊在城市蓄水、防澇抗旱、工農(nóng)業(yè)用水及百姓的日常生活中都起著舉足輕重的作用，湖泊的庫(kù)容量和最大水深是湖泊的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確掌握城市的水利家底，合理分配利用水資源提供了技術(shù)保障。北京市擁有大小湖泊38個(gè)，湖泊庫(kù)容以往都是通過(guò)影像圖、設(shè)計(jì)值和經(jīng)驗(yàn)獲得的，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)準(zhǔn)確的測(cè)量。昆明湖是北京最有名的湖泊，然而作為重要的水源地之一，昆明湖到底有多少水卻沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的值。北京市第一次水務(wù)普查首先就選擇了勘測(cè)昆明湖的庫(kù)容量。北京市之前對(duì)湖泊進(jìn)行庫(kù)容勘測(cè)都是用測(cè)深桿選擇一些點(diǎn)進(jìn)行抽樣測(cè)量，該方法效率低，實(shí)際定位不準(zhǔn)確，勘測(cè)成果誤差較大，沒(méi)有形成一套快速、準(zhǔn)確的科學(xué)勘測(cè)方法。本文結(jié)合北京市第一次水務(wù)普查工作對(duì)昆明湖使用地質(zhì)雷達(dá)和聲吶測(cè)深儀分別進(jìn)行了研究試驗(yàn)，總結(jié)出一套高效的城市湖泊勘測(cè)方法，并重點(diǎn)對(duì)比了兩種方法在湖泊測(cè)量時(shí)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為城市湖泊測(cè)量總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)。

二、城市湖泊勘測(cè)技術(shù)流程

本次勘測(cè)昆明湖采用的技術(shù)流程主要包括：①采用GPS和全站儀對(duì)湖泊岸邊地形進(jìn)行測(cè)繪，湖泊岸邊的地形圖為第二階段的湖底地形勘測(cè)提供了參考，并為最后計(jì)算庫(kù)容提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；②利用前期勘測(cè)的湖泊岸邊地形圖規(guī)劃航線，使用RTK和測(cè)深儀或RTK和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)湖底地形進(jìn)行勘測(cè)；③勘測(cè)湖泊上口最低點(diǎn)的高程和水面高程，湖泊上口最低點(diǎn)高程用于計(jì)算湖泊最大庫(kù)容量，現(xiàn)有水面高程用于計(jì)算現(xiàn)有水量；④對(duì)外業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用Autodesk公司出品的AutoCAD Civil 3D軟件計(jì)算庫(kù)容量和水容量。

在湖泊勘測(cè)過(guò)程中，第二階段的湖底地形勘測(cè)是工作的重點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。本次使用網(wǎng)絡(luò)RTK和測(cè)深儀或地質(zhì)雷達(dá)聯(lián)合作業(yè)進(jìn)行湖泊勘測(cè)，GPS實(shí)時(shí)保持固定解狀態(tài)，能夠非?？焖佟⒕_地得到的三維坐標(biāo)信息，解決了水上測(cè)繪定位不準(zhǔn)，航向易偏的問(wèn)題。

三、RTK聯(lián)合地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)昆明湖湖底地形

地質(zhì)雷達(dá)是通過(guò)發(fā)射天線往水中發(fā)射高頻帶寬脈沖電磁波，電磁波在水中傳播過(guò)程中遇到介電常數(shù)不同的介質(zhì)時(shí)，會(huì)在兩種介質(zhì)的交界面產(chǎn)生反射，其反射系數(shù)為

式中，R為反射系數(shù)；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)。接收天線接收反射回來(lái)的電磁波，并在電腦中進(jìn)行記錄，由此生成了雷達(dá)原始數(shù)據(jù)。純水的介電常數(shù)為81，空氣的介電常數(shù)近似為1，電磁波從空氣入射至水中其反射系數(shù)為0.8，能量損失嚴(yán)重。因此在使用雷達(dá)測(cè)量湖底深度時(shí)盡量使雷達(dá)發(fā)射天線緊貼水面。

雷達(dá)真實(shí)記錄的是電磁波從發(fā)射到接收這段時(shí)間差Δt，使用該時(shí)間差的一半乘以電磁波在水中的傳播速度即為發(fā)射天線底部至湖底的距離h，即

式中，c為光速。而雷達(dá)最大探測(cè)深度理論上為10倍波長(zhǎng)，即

根據(jù)式(3)可知，最大探測(cè)深度H與使用的天線及介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。當(dāng)測(cè)量水深時(shí)，水的介電常數(shù)無(wú)法改變，因此探測(cè)深度與所使用天線的頻率f成反比。

在實(shí)際勘測(cè)時(shí)，為了準(zhǔn)確確定電磁波在昆明湖湖水中的波速，先擬定一個(gè)數(shù)值進(jìn)行勘測(cè)，并在雷達(dá)勘測(cè)位置使用測(cè)深桿進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比測(cè)深桿測(cè)得的水深和雷達(dá)測(cè)得的水深，以此對(duì)波速進(jìn)行校正，以得到準(zhǔn)確的波速值。測(cè)量之前將掃描間隔設(shè)置為0.1 m，雷達(dá)天線的工作速度可以達(dá)到電瓶船最大運(yùn)行速度；初步測(cè)量時(shí)默認(rèn)水的介電常數(shù)為81，此時(shí)波速大約為33 mm/ns，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采用測(cè)深桿校正波速證明實(shí)際波速與默認(rèn)值近似；昆明湖水深最大處不超過(guò)6 m，并且本次試驗(yàn)使用的是200 m天線，因此將時(shí)窗設(shè)置為150 ns即可滿足要求。由于水體、淤泥和河底三者介電常數(shù)數(shù)值相差較大，從雷達(dá)圖上可以清楚地看到各個(gè)層之間的分界面(如圖1所示)。

圖1 昆明湖水下地形實(shí)測(cè)雷達(dá)圖

四、RTK聯(lián)合聲吶測(cè)深儀勘測(cè)昆明湖湖底地形

聲吶測(cè)深儀是通過(guò)探頭往水下發(fā)射聲波信號(hào)，由于聲波是機(jī)械波，當(dāng)聲波在傳播過(guò)程中遇到波阻抗不同的介質(zhì)時(shí)會(huì)在界面產(chǎn)生反射，反射遵循斯奈爾反射定律。影響波阻抗的因素主要是介質(zhì)的密度和傳播波速。由于昆明湖的水深不超過(guò)6 m，因此水深對(duì)波速的影響不大。在實(shí)際勘測(cè)中通過(guò)測(cè)深桿測(cè)得的水深和聲吶測(cè)深儀測(cè)得的水深進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)校正聲波在昆明湖湖水中傳播的波速。

采用RTK聯(lián)合聲吶測(cè)深儀勘測(cè)昆明湖湖底地形時(shí)將RTK安裝在測(cè)深儀的正上方，中間采用金屬桿連接(如圖2所示)。測(cè)深儀探頭沒(méi)于水中，量得測(cè)深儀和RTK之間的高差，再結(jié)合RTK實(shí)時(shí)測(cè)得的高程值和聲吶測(cè)深儀實(shí)時(shí)測(cè)得的水深即可得到此刻湖底地形的準(zhǔn)確高程。

圖2 RTK聯(lián)合聲吶測(cè)深儀勘測(cè)昆明湖湖底地形

在對(duì)湖泊進(jìn)行勘測(cè)時(shí)，第一階段測(cè)得的湖岸地形圖可以為第二階段湖底地形的勘測(cè)提供依據(jù)，按照湖泊面積選擇不同的測(cè)線間距，對(duì)湖底地形勘測(cè)進(jìn)行航線規(guī)劃。在實(shí)測(cè)湖底地形時(shí)，RTK除了可以實(shí)時(shí)測(cè)得點(diǎn)位大地坐標(biāo)、當(dāng)前點(diǎn)的高程信息外，還能對(duì)船只勘測(cè)起導(dǎo)航作用，并且能準(zhǔn)確地計(jì)算出船只偏離航線的方向和偏距大小(如圖3所示)。通過(guò)RTK實(shí)時(shí)測(cè)得的高程信息和測(cè)深儀測(cè)得的水深進(jìn)行對(duì)比，即可得到湖地點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。當(dāng)然，此結(jié)論的前提是連接RTK和測(cè)深儀探頭的金屬桿豎直。當(dāng)湖面有波浪使得船只上移時(shí)，RTK測(cè)得的高程值變大，而測(cè)深儀測(cè)得的水深也相應(yīng)地變大到同樣的數(shù)值，因此算得的湖底點(diǎn)的三維坐標(biāo)值依然為真實(shí)的數(shù)值。金屬桿有較小角度的偏離對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果影響也不大，可以忽略。但當(dāng)風(fēng)浪較大時(shí)就不應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)作業(yè)了。

圖3 RTK聯(lián)合測(cè)深儀勘測(cè)界面

由于昆明湖流域面積超過(guò)1 km2，本次設(shè)置測(cè)線間距為20 m。為提高測(cè)量成果的準(zhǔn)確性，沿著測(cè)線每1 m觸發(fā)一次測(cè)聲儀，得到一個(gè)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，沿著測(cè)線每隔50 m使用測(cè)深桿測(cè)得一個(gè)深度數(shù)據(jù)，記錄下來(lái)，便于后期與測(cè)深儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

五、對(duì)比分析

地質(zhì)雷達(dá)與聲吶測(cè)深儀勘測(cè)湖底地形的方法原理類似，在實(shí)際勘測(cè)中存在著共同點(diǎn)，如都是通過(guò)RTK測(cè)得的三維坐標(biāo)與實(shí)測(cè)的水深結(jié)合得到湖底地形，都是利用規(guī)劃好的航線進(jìn)行勘測(cè)，并在后期使用軟件進(jìn)行處理，計(jì)算湖泊的庫(kù)容量。但由于雷達(dá)采用了電磁波，測(cè)深儀采用了機(jī)械波，不同的波在介質(zhì)中傳播的特性不同，使得兩種方法勘測(cè)城市湖泊有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)湖底地形時(shí)優(yōu)點(diǎn)包括：①能夠連續(xù)測(cè)量，每條測(cè)線連續(xù)地反映該剖面水下地形和分界面信息，對(duì)較小范圍內(nèi)的地形變化能夠準(zhǔn)確地反映出來(lái)，信息直觀易懂；②能夠清楚探測(cè)到湖底淤泥厚度；③由于電磁波的穿透性較強(qiáng)，雷達(dá)勘測(cè)湖底地形時(shí)受水草影響小，能夠更準(zhǔn)確地反映出湖底地形；④外業(yè)工作效率高。

使用地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)的缺點(diǎn)是：①天線防水性有待加強(qiáng)，建議采用專門的水上天線，以便雷達(dá)天線能夠更好地和水體銜接，避免不必要的電磁波能量損失。②探測(cè)不同水深需要不同頻率的天線，而且探測(cè)較深水域時(shí)需要采用低頻天線。地質(zhì)雷達(dá)天線體積的大小和電磁波波長(zhǎng)直接相關(guān)，而頻率越低的天線其波長(zhǎng)越長(zhǎng)，天線體積越大，給外業(yè)勘測(cè)帶來(lái)的困難越大，當(dāng)湖底地形變化較大時(shí)使用地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)就比較麻煩。如本次采用200 MHz天線勘測(cè)昆明湖，當(dāng)水深超過(guò)2 m時(shí)雷達(dá)信號(hào)就消失，無(wú)法勘測(cè)到湖底地形。同時(shí)，頻率越低天線的分辨率也越低，使得對(duì)淤泥厚度的分辨能力有了降低，尤其是存在薄層時(shí)，淤泥層厚度小于一定數(shù)值時(shí)存在無(wú)法探出淤泥厚度的情況。③地質(zhì)雷達(dá)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)無(wú)法直接進(jìn)行分析，需要進(jìn)行專業(yè)的數(shù)據(jù)處理，得到易于識(shí)別的雷達(dá)圖，然后通過(guò)各個(gè)剖面的雷達(dá)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而得到各個(gè)位置的水深，因此無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)直接得到。當(dāng)然，由于雷達(dá)圖是一個(gè)個(gè)平行的剖面，可以使用三維數(shù)據(jù)處理軟件處理雷達(dá)數(shù)據(jù)，得到立體的湖底地形雷達(dá)圖。④地質(zhì)雷達(dá)受波浪影響相比之下不如聲吶測(cè)深儀。當(dāng)水面靜止不動(dòng)時(shí)，雷達(dá)圖上顯示的湖底界面是真實(shí)的湖底地形；當(dāng)水面有波浪導(dǎo)致勘測(cè)船只上下晃動(dòng)時(shí)，雷達(dá)圖上顯示的湖底界面就不是真實(shí)的界面信息了，此時(shí)通過(guò)GPS所測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)湖底進(jìn)行高程校正，便可得到真實(shí)的湖底地形。

使用聲波測(cè)深儀進(jìn)行湖底地形勘測(cè)具有四大優(yōu)點(diǎn)：一是探測(cè)深度范圍大，深度能夠從一米內(nèi)至上百米，用同一頻率的探頭可以探測(cè)深度范圍變化較大的區(qū)域。二是后期數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，對(duì)數(shù)據(jù)處理員的素質(zhì)要求較低，并且不需要對(duì)數(shù)據(jù)作過(guò)多的解釋。直接獲得的是GPS測(cè)得的坐標(biāo)信息和測(cè)深儀測(cè)得的水深聯(lián)合計(jì)算出的湖底點(diǎn)的三維坐標(biāo)，可以直接用來(lái)進(jìn)行建模。三是測(cè)深儀受風(fēng)浪影響比雷達(dá)測(cè)深小。四是測(cè)深儀探頭可直接放入水中，實(shí)際工作中把測(cè)深儀主機(jī)放在船上即可，不需要考慮儀器防水性問(wèn)題。

但使用測(cè)深儀探測(cè)有3個(gè)問(wèn)題需要解決：一是當(dāng)湖中水草較多時(shí)，聲波穿透水草的能力較弱，使得探測(cè)的深度與真實(shí)深度會(huì)有差異；二是聲波對(duì)淤泥穿透能力有限，聲波進(jìn)入淤泥后絕大部分能量損耗了，使得淤泥厚度探測(cè)效果不佳；三是測(cè)深儀是離散型勘測(cè)，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，測(cè)深儀對(duì)地形較陡或規(guī)模較小的地形變化無(wú)法真實(shí)地反映出來(lái)。

六、結(jié)束語(yǔ)

昆明湖湖泊勘測(cè)采用RTK技術(shù)和物探技術(shù)聯(lián)合工作，通過(guò)對(duì)比得出：當(dāng)對(duì)湖底地形變化不大或湖中水草較多的城市湖泊進(jìn)行勘測(cè)時(shí)，建議使用地質(zhì)雷達(dá)聯(lián)合RTK進(jìn)行作業(yè)，這樣既可以快速準(zhǔn)確地勘測(cè)出湖泊的庫(kù)容量，還能夠得到湖底淤泥的厚度；當(dāng)湖底地形變化較大時(shí)則使用測(cè)深儀聯(lián)合RTK進(jìn)行勘測(cè)；當(dāng)水深變化較大，水中淤泥厚度也需要探測(cè)出來(lái)，同時(shí)存在水草的影響時(shí)，需使用地質(zhì)雷達(dá)和聲吶測(cè)深儀聯(lián)合工作，并用測(cè)深桿或測(cè)深繩對(duì)實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以保證勘測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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Comparative Study of Urban Lakes Capacity Survey Methods

YANG Bogang，ZHANG Jinsong，HUO Manjun

P228.4

B

0494-0911(2014)11-0050-03

2013-11-06

楊伯鋼(1960—)，男，陜西臨潼人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)繪工程應(yīng)用與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。

楊伯鋼，張勁松，霍滿軍.城市湖泊庫(kù)容勘測(cè)方法對(duì)比研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(11)：50-52.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0361