水运工程测量状况及发展前瞻

第２７卷第１期　２００７年１月　海洋测绘　Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．１　Ｊａｎ．，２００７　ＨＹＤＲＯＧＲＡＰＨＩＣ　ＳＵＲＶＥＹＩＮＧ　ＡＮＤ　ＣＨＡＲＴＩＮＧ　水运工程测量状况及发展前瞻　裴文斌，曹　满，牛桂芝　（天津水运工程勘察设计研究院，天津３００４５６）　摘要：对水运工程测量状况从理论发展和技术手段上进行了详细分析，对水运工程测量技术水平进行了评价，　指出了水运工程测量行业的现存问题，并根据测绘技术手段的发展，针对水运工程测量的特点，对水运工程测量的　发展方向进行了预测。　关键词：水运工程；地貌扫测；水文；波浪；潮汐　中图分类号：Ｐ２５８　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１．３０４４（２００７）０１—００７８－０４　是为工程建设提供基础数据资料，包括平面和高程　（深度）控制基础、水文、泥沙、波浪、气象和水深资料，　水运工程测量涵盖的内容极广，几乎涵盖了所有　工程测量领域，为便于本文进行分析介绍，笔者根据　直接为水运工程规划、设计和建设提供基础资料和相　关依据；第二种是提供现场服务，包括水上施工放线、　疏浚导航监测、计方，搜救打捞探测定位、扫浅、应急　测深，它直接在第一现场实时提供相关资料和观测结　水运工程测量的特点，综合水运工程测量规范内容，　将其分为五类十七门，第一类是陆域测量，它包括平　面控制、高程控制、地形测量、形变检测和陆域施工放　线五门。这一类与其他行业及国家测绘局规定的测　果，供工程施工人员和相关决策者使用；第三种形式　是以工程咨询的方式提供服务，为水运工程解决相　关的技术问题，从地球物理基础理论上和满足工程　要求的技术手段上给予水运工程提供相关咨询和技　量内容没有太大的区别，只不过它倾向于港口和航道　建设领域。第二类是水深测量，它包括：深度测量、扫　海测量、障碍物探摸、海底地貌扫测等四门，与其他行　业要求有着较大的差别。第三类是潮汐观测和水位　控制，主要包括水位观钡０、基准面确定两门，它与水　术支持。这三种服务模式，即灵活简便，又符合水运　工程建设的要求特点，它遵从了水运工程的要求并　符合水运工程发展态势，不但满足了水运工程各阶　利和海洋测绘有相近的关系但技术要求截然不同。　第四类是水文测量，主要包括流场测量、含沙测量、　理化学指标测量、波浪和冰况测量四门，它和海洋水　段的需要，也兼顾了其发展的需求。对水运工程事　业及水运工程测量都起到了良好的推动作用。　２．２水运工程测量的理论现状　文相近，但与海洋水文要求不同，具有水运工程的明　显特色。第五类是水上施工导航定位，包括为施工　近几年，随着对水运工程建设领域投入的增加，　水运工程测量市场需求加大，吸引了大批学者和科　船只导航、实时疏浚深度监测和施工点放线定位等。　在这五类十七门的分类中，后四类代表着水运工程　测量的特色，涵盖着水运工程测量的特点。　２水运工程测量的发展状况　２．１　水运工程测量所涵盖的范围和服务方式　研工作者，使水运工程测量理论研究有很大的发展。　它主要来自两个方面，一是纯粹的学术理论研究，一　是工程应用理论研究。在学术理论方面，以大学和　相关研究所为代表，使水运工程测量理论不断深化。　尽管各相关大学和研究所很多是非交通系统的，但　都从事着与水运工程测量理论密切相关的测量理论　研究。这部分研究能够将最先进的科学研究方法和　理论应用于水运工程测量研究领域中，解决大量原　来没有解决的理论问题，如：水深测线网平差方法及　水运工程测量已经涉及到了所有水运工程建设　和运营领域，它以为水运工程提供服务的姿态出现，　从水运工程规划阶段开始，到工程预可研阶段、工程　工可研阶段、工程施工阶段、工程运营时段都渗透着　水运工程测量服务。它主要提供三种形态的服务，一　精度评定、高精度快速平均海平面传递、卫星测高理　论在水运工程测量中的应用、波速角对测深影响及　收稿日期：２００６－０８－０８；修回日期：２００６—１２—０４　作者简介：裴文斌（１９６４．），男，吉林农安人，教授级高级工程师，主要从事水运工程勘察设计与研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　裴文斌，等水运工程测量状况及发展前瞻　修正、潮汐调和计算的分潮优化方法和港口航道　ＧＩＳ特性及实施方案、侧扫声纳及多波束设计原理　等。这些理论上的成熟研究，极大地推动了水运工　程测量的发展，丰富了水运工程测量的手段，提高了　水运工程测量的精度。同其他相关行业的比较上　看，水运工程测量行业的相关理论研究发展较快，吸　收相关新的理论方法也较多。来自另一方面的研究　也不可忽视，那就是相关从事水运工程研究、建设单　位和测量单位，他们多围绕水运工程测量作业方法、　手段和精度进行一系列研究，从工程实际需求出发，　研究解决一系列问题。这方面的研究代表着相关领　域的前沿水平。如：土木施工定位技术、适航水深测　量技术、ＧＰＳ技术在水运工程测量领域的应用、水上　施工定位姿态纠正、水下地貌全覆盖扫侧方法、水文　自动观测采样技术等，都代表了目前的行业发展水　平。来自水运工程研究、建设和测量单位的理论研　究，直接地解决了领域内需要解决的理论问题，是水　运工程测量理论研究不可忽视的力量。比较两种理　论研究的不同，前者是一种基础的理论研究，而后者　则是为解决工程实际问题而进行理论研究，两者的　最终归宿是一致的，那就是服务于水运工程测量。　谈到水运工程测量理论的发展，就不能不提及　《水运工程测量规范））ＴＪＴ２０３，这是一部水运工程测　绘领域内强制性标准，是一部指导水运工程测绘工　作的规范，也是水运工程测量技术水平的体现。事　实上，《水运工程测量规范》每６—８年就进行一次　修订，修订频率明显高于其他行业测绘规范。每一　次规范修订都吸收采用新理论、新技术，以保证对实　际作业给予理论支持和技术指导。　２．３　水运工程测量的技术手段　水运工程测量事业的蓬勃发展，离不开先进技　术手段的强力支撑，应当对设备制造商表示感谢。　国内外仪器生产厂商为我国水运工程测量技术手段　提供了大量的先进设备，尽管目前主流产品还是国　外的设备及制造技术，但我国自主研发的测深仪、多　波束、声速计、ＧＰＳ等高端硬件设备已经占领一席之　地，已达到了世界同类测绘产品的水平，这些制作厂　商包括无锡海鹰加科公司、南方测绘仪器公司和中　海达测绘公司等。其软件自主产品完全可以替代价　格高昂的进口产品。　仪器设备和相关软件的飞速发展，推动了水运　工程测量技术手段发展，给水运工程测量带来了１３　新月异的变化，对水运工程测量起到了强大的推动　作用。　从以下几个方面的指标和状况，可以概括和评　价水运工程澳０量当前的水平。　（１）测量精度提高。在第一类测量中，水运工　程测量与我国目前最高测绘技术水平是基本一致　的。在第二类中，水运工程测绘行业是我国最早将　ＧＰＳ应用于实际工程的行业之一，特别是２Ｏ世纪　９Ｏ年代交通部沿海差分指向标站的建立，极大地推　广了伪距差分技术的应用，也提高了我国沿海测量　的定位精度。ＧＰＳ定位技术，不论是伪距差分　技术、相位差分技术还是ＰＰＫ等技术，都上百倍地　提高了远岸水深定位的精度，使水深定位精度由米　级提高到亚米级，对于ＲＴＫ或ＰＰＫ等相位差分技　术则可以达到厘米级。在测深方面，提高测深精度　和海底全覆盖一直是困扰水深测量和扫测的难题。　在近五年中，随着声速计的应用和测深设备的改进，　其测量精度也有较大提高，同比检测精度可以达到　０．２ｍ以内。同时高频多波束、高分辨率侧扫声纳不　仅使分辨率达到０．１ｍ以内，大大地提高了测量精　度，而且彻底实现了现实意义上的水下全覆盖扫测，　使扫海测量不留死角。　更值得一提的是ＲＴＫ和ＰＰＫ水深测量技术的　出现，尽管这种技术还处在探索阶段，但它彻底改变　了传统的水深测量模式，综合消除了各种水深测量　效应，解决了传统作业方法中各种效应混杂、相互影　响无法消除的弊病。　在第三类两门中，高精度自容式验潮仪的使用，　使布设水位站和点位更加简便，其测量精度也较传　统的方法提高了一个数量级（传统观测精度为　０．１ｍ，现在观测精度为５ｃｍ）。这对于基准面的计　算与传算，提高潮汐调和分析中浅海分潮计算精度　以及余水位潮位控制预报，起到了积极的作用。同　时也促进了卫星测高验证、检测和拟合的精度提高，　直接地影响到相应学科的发展。　在第四类测量中，新的设备（如ＡＤＣＰ）一方面　大大简化了作业人员的劳动强度，同时在精确分层　测量中显示了极大的优越性，它不但可以将流速垂　线分层，更可以跟踪测定某一指定层面的流速，其测　量精度也比传统的测量模式精度有较大的提高。特　别是流向测量精度，ＡＤＣＰ克服了传统仪器机械结　构和测向原理无法克服的因素，使流向观测精度特　别是小流速的流向观测精度提高一个数量级，尽管　一般的ＡＤＣＰ具有从理论上就无法解决的盲区，但　其测量的高精度结果仍受到水运工程科研、施工和　测绘人员的青睐。　（２）自动化程度提高。新的技术手段的采用，　大大提高了测量作业的自动化水平，解决了原来作　维普资讯 http://www.cqvip.com

海洋测绘　第２７卷　业手段和程序上的问题。例如第二类测量，从　２Ｏ世纪９Ｏ年代中期就实现了定位、测深、数采计算　关成果，例如在潮汐测量的同时，不但可以提供潮位　观测结果，同时还能提供观测点的水温、含盐等相关　成果，从而使成果附加值增加。三是水运工程测量　机导航集成化，这极大简化了外业测量的繁杂，降低　了作业人员的劳动强度。内业也随着数采和成图自　动化极大地提高了作业效率。对于第三类测量，在　提供的报告内容更加丰富，衍生成果也逐渐丰富并　受到业主的欢迎。例如水深测量，不仅仅提供标准　水深图，也直接提供三维立体图。障碍物扫测，不但　提供位置，还可以提供其姿态、方位和高度，甚至是　２１世纪初得到飞速发展，目前的验潮设备，不但具　有体积小、重量轻、设置灵活的特点，更具有自容自　计，按要求自动统计报表并兼顾测温测波等功能。　扫描图像等。这对于水运工程测量成果的二次开发　第四类，流场观测一般要求逐时观测一个完整潮流　场，随着水运工程科研和建设要求的提高，要求连续　观测的时间大大延长，往往要一月或数月，在这种情　况下，ＡＤＣＰ、自容式流速仪等设备都得以大显身手。　在第五类中，施工导航定位具有先进的一体化　作业模式，集测深、导航、定位和预报一体化作业，自　动为工程建设和施工提供高精度的基础参数和校航　参数，保证了水运工程建设施工的顺利进行。　（３）作业适应性增强。新的技术手段，带来了　水运工程测量行业适应能力的大大增强。对于第二　类测量，新开辟的待建港口，要获取准确的水深图采　用传统的方法不但工期长，工作量也非常大，而采用　先进的ＧＰＳ技术手段就极大地简化了工作。同样　在第三类、四类测量中，观测大风甚至是台风过程的　资料相当宝贵，而在此环境下传统的方法是不可能　实现的，而目前采用自容式验潮仪、ＡＤＣＰ、自记式电　磁式流速仪和波潮仪等完全可以观测并记录各种数　据。在第二类中，扫海测量和障碍物探摸方面，在　２０世纪８Ｏ年代仪能对淤泥以上的障碍物进行清扫　探测，随着本世纪高精度磁力仪和浅地层剖面仪的　使用，将淤泥上探测转化到了淤泥下探测，并能对淤　泥下碍航物在未知状态下进行简单结构分类。这里　也特别指出，对于海上飞机事故中黑匣子的搜寻，是　一种极其专业的搜寻，从另一个方面表明了水运工　程测量专业具有的适应性。对于一些具有特殊要求　的作业，水运工程测量手段都能满足其要求。比如，　水文测验中定点、定层测量，水运工程施工定位工作　点定位、水下淤泥密度分布、适航水深等，都表明水　运工程测量具有极强的适应性。　（４）观测成果不但更丰富可靠，而且附加值增　高。水运工程测量提供的成果范围越来越宽也越来　越丰富。它表现在三个方面：一是水运工程事业的　发展要求相关测绘提供更丰富的内容，水运工程测　量满足了这一需求。例如，在水深测量中，要求提供　相应重度浮泥的厚度，即适航厚度，那么水运工程测　量就满足了这项要求，开展了适航水深测量并制定　相应标准加以规范。二是单次测量可提供出多种相　利用具有很大的价值。　３水运工程测量目前存在的问题　水运工程测量的蓬勃发展，满足了行业发展的　新要求，但仍然存在许多不足，需要在发展过程中加　以注意和改进。　目前，水运工程测量行业本身缺乏系统的理论　研究和深化，同时又缺乏和大专院校以及科研单位　的联合，导致一些技术问题解决缓慢或没有解决，有　些虽然在理论上得以解决但实际没有得到推广应　用，如波束角对测深的影响改正、姿态实时测量和修　正、淤泥层厚度测量等。在测绘技术手段上缺乏研　究，特别是硬件设备，如侧扫声纳、浅地层剖面、多波　束、姿态测量等设备基本上依赖进口。在软件上虽　然有一些公司在努力开拓市场，但很难同进口软件　抗衡，结果也不如意。在此状况下，也存在一种隐　患，那就是对于引进的设备、技术缺乏系统的组织检　验验收，对于技术机理都不是十分清楚，很多是在应　用过程中逐步摸索，给工程带来隐患。其原因是缺　乏自主创新和自主知识产权，多年来对水运工程测　量技术和设备的研发起步晚，也缺乏行业和国家对　自主创新与研发的投入。　４水运工程测量未来的发展方向　水运工程测量和其他行业发展一样，将迎接更高　更艰巨的挑战，我国公路、水路交通“十一五”科技发　展规划明确提出了要求，预示进入“十一五”时期，水　运工程事业将得到飞速的发展，也必将对水运工程测　量提出更高的要求。在规划中，重大攻关和主要研究　内容中涉及多项与水运工程测量直接相关的项目，　如：深水地域地质、水文勘察技术，航道适航水深关键　技术，水下遥控机器人、水下切割设备、多波束扫测设　备研发、电子航道图技术等。为适应如此高速的发　展，水运工程测量队伍也必须加快发展步伐。　预计未来水运工程测量理论研究将更加依靠院　校和专门的研究单位，以适应市场化的发展，而测量　单位更关注具体应用理论和手段的研究，以解决实　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　裴文斌，等水运工程测量状况及发展前瞻　际工程问题。在这种态势下，联合研究将会有更大　的发展几率和空间，特别是关键技术理论的研究，离　不开专职科研部门的大力支持。　术与现代通讯技术结合，形成实时潮位发布；潮汐预　报技术将得到广泛应用，对于远离岸边难以设立潮　位观测的地点，将使用相关水位预报和推算技术获　得准确潮位。对于第四类测量，ＡＤＣＰ技术将占主　导地位，进一步实现定点和走航温、盐、沙同步采集；　在技术手段上将朝着高科技装备和综合系统方　向发展。它主要表现在四个方面。　（１）现有分散的技术手段进行综合并加以完　善，形成能力强、适用广泛的测绘系统。研发更适用　影像分析技术、水下光电技术等将应用于泥沙含量　测量，进一步实现高精度现场含沙量测量；波浪测量　设备更适应长期作业要求，且与之有密切关系的气　的内、外业一体化系统，以简化作业强度，提高作业　质量，增进生产效率。例如第二类中可形成水深、扫　测综合系统；第三类中可形成潮汐观测、预报和实时　报送系统；第四类可形成水文观测、调和分析及预报　演示系统等。　（２）３Ｓ技术手段进一步渗透到水运工程测量领　象测量结果同步获得，并给出相应的波谱和能量谱　分析。对于第五类主要是在精度方面的提高，姿态　纠正仪、高精度电罗经和ＲＴＫ　ＧＰＳ都会引入到精密　水运工程建设定位导航之中，特别是随着伽利略系　统的建立和运行，水运工程测量的导航定位也将采　用该系统，并预期产生新的技术手段。　域。航空摄影和近景摄影技术将逐步应用于水运工　程第一类测量，以进一步提高效率；卫星定位技术的　（４）边缘科技手段和其他行业成熟技术手段将　如磁力测量、底质温度　ＲＴＫ、ＰＰＫ、ＰＰＰ等技术将在第二类、第三类和第五类　进一步应用于水运工程测量，这些测量将满足水运工程建设和运　测量中得到广泛应用，并将在水运工程测量领域引发　与重度测量等，场，ＧＰＳ水准将解决远海岛屿的高程基准面传　算问题。伽利略计戈０的实施将给水运工程测量定位　一营的需要，也将满足跨行业交流的需求。　参考文献：　［１］　公路水路交通中长期科技发展规划纲要（２００６－２０２０　年）［Ｒ］．中华人民共和国交通部（２０ｏ５．ｏ９）．　手段带来变革，预计它的成熟发展和国家的调节　将促使伽利略定位广泛应用于水运工程测量领域，并　有可能取代现有的ＧＰＳ；ＧＩＳ在水运工程领域得到空　前的发展并将在各大港口得以广泛的实际应用，作为　基础空间数据来源和数据更新管理的基本手段，水运　工程测量行业将给予港口ＧＩｓ以强有力的支撑。　（３）先进的技术手段将在水运工程测量领域得　以推广应用，并逐渐替代落后产品。如第二类中水　［２］公路水路交通“十一五”科技发展规划．中华人民共和　国交通部（２００６．０２）．　［３］全面建设小康社会公路水路交通发展目标（社会版）　［Ｒ］．交通部综合规划司（２００５．０１）．　［４］　陈洪云，翟国君．海洋测绘进展评述［Ｊ］．海洋测绘，　２００４，２４（１）：６３—６５．　深测量和侧扫技术中多波束扫测技术将占主导地　位，逐渐淘汰现有的四波束、五波束，提供的水深图　［５］　叶引，洪苏建．海事地理信息系统建设［Ｊ］．海洋测　绘，２００５，２５（１）：４７—５０．　［６］周云飞，张彦昌．ｓｅａｂａｔ８１２５安装误差校准及在边坡测　也将由现在的平面加水深变成三维显示电子图；同　时侧扫声纳技术、磁力探测和浅地层剖面技术在该　领域内也将得到更广泛的应用。在第三类测量中，　ＧＰＳ测高技术将引入到潮汐观测；各种自动验潮技　量中的应用［Ｊ］．水道港口，２００６，２７（３）；１８８—１９１．　［７］　黄谟涛，翟国君．卫星测高技术应用研究回顾与展望　［Ｊ］．海洋测绘，２００４，４（４）：２６５—７０．　Ｔｈｅ　Ｓｔａｔｅ　ａｎｄ　Ｆｕｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｐｏｒｔ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｕｒｖｅｙ　ＰＥＩ　Ｗｅｎ—ｂｉｎ，ＣＡＯ　Ｍａｎ，ＮＩＵ　Ｇｕｉ－ｚｈｉ　（Ｔｉ　ｉｎ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒｎｓｐｏｒｔａ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎＪｉｎ，３００４５６）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒｗａｙ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｕｒｖｅｙ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔ　ｍａｋｅｓ　ａｎ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｈｅ　ｗａｔｅｒｗａｙ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｔｉｎｇ　ｓｕｒｖｅｙ．Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｆｉｎｄｓ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｐｐｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｃａ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ　ｔｒｎｓｐｏｒａｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓｗｅｅｐｉｎｇ　ｓｕｒｖｅｙ；ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ；ｗａｖｅ；ｔｉｄｅ