城市湖泊库容勘测方法对比研究

杨伯钢，张劲松，霍满军

(1.北京市测绘设计研究院，北京 100038；2.城市空间信息工程北京市重点实验室，北京 100038)

城市湖泊库容勘测方法对比研究

杨伯钢1，2，张劲松1，2，霍满军1，2

(1.北京市测绘设计研究院，北京 100038；2.城市空间信息工程北京市重点实验室，北京 100038)

对使用RTK技术联合地质雷达或声呐测深仪对昆明湖库容测量进行了对比研究，针对城市湖泊勘测的具体特征分析了两种方法勘测的原理，总结了两种勘测方法的共同点和不同点，分析了两种方法各自的优点和缺点，并为其他湖泊库容勘测工作提出了建议。

地质雷达；声呐测深仪；RTK；城市湖泊；库容勘测

一、引 言

城市湖泊在城市蓄水、防涝抗旱、工农业用水及百姓的日常生活中都起着举足轻重的作用，湖泊的库容量和最大水深是湖泊的基础数据，为准确掌握城市的水利家底，合理分配利用水资源提供了技术保障。北京市拥有大小湖泊38个，湖泊库容以往都是通过影像图、设计值和经验获得的，没有进行过系统准确的测量。昆明湖是北京最有名的湖泊，然而作为重要的水源地之一，昆明湖到底有多少水却没有一个准确的值。北京市第一次水务普查首先就选择了勘测昆明湖的库容量。北京市之前对湖泊进行库容勘测都是用测深杆选择一些点进行抽样测量，该方法效率低，实际定位不准确，勘测成果误差较大，没有形成一套快速、准确的科学勘测方法。本文结合北京市第一次水务普查工作对昆明湖使用地质雷达和声呐测深仪分别进行了研究试验，总结出一套高效的城市湖泊勘测方法，并重点对比了两种方法在湖泊测量时各自的优缺点，为城市湖泊测量总结了经验。

二、城市湖泊勘测技术流程

本次勘测昆明湖采用的技术流程主要包括：①采用GPS和全站仪对湖泊岸边地形进行测绘，湖泊岸边的地形图为第二阶段的湖底地形勘测提供了参考，并为最后计算库容提供基础数据；②利用前期勘测的湖泊岸边地形图规划航线，使用RTK和测深仪或RTK和地质雷达对湖底地形进行勘测；③勘测湖泊上口最低点的高程和水面高程，湖泊上口最低点高程用于计算湖泊最大库容量，现有水面高程用于计算现有水量；④对外业采集数据进行处理，并用Autodesk公司出品的AutoCAD Civil 3D软件计算库容量和水容量。

在湖泊勘测过程中，第二阶段的湖底地形勘测是工作的重点，同时也是难点。本次使用网络RTK和测深仪或地质雷达联合作业进行湖泊勘测，GPS实时保持固定解状态，能够非常快速、精确地得到的三维坐标信息，解决了水上测绘定位不准，航向易偏的问题。

三、RTK联合地质雷达勘测昆明湖湖底地形

地质雷达是通过发射天线往水中发射高频带宽脉冲电磁波，电磁波在水中传播过程中遇到介电常数不同的介质时，会在两种介质的交界面产生反射，其反射系数为

式中，R为反射系数；ε为介质的介电常数。接收天线接收反射回来的电磁波，并在电脑中进行记录，由此生成了雷达原始数据。纯水的介电常数为81，空气的介电常数近似为1，电磁波从空气入射至水中其反射系数为0.8，能量损失严重。因此在使用雷达测量湖底深度时尽量使雷达发射天线紧贴水面。

雷达真实记录的是电磁波从发射到接收这段时间差Δt，使用该时间差的一半乘以电磁波在水中的传播速度即为发射天线底部至湖底的距离h，即

式中，c为光速。而雷达最大探测深度理论上为10倍波长，即

根据式(3)可知，最大探测深度H与使用的天线及介质的介电常数有关。当测量水深时，水的介电常数无法改变，因此探测深度与所使用天线的频率f成反比。

在实际勘测时，为了准确确定电磁波在昆明湖湖水中的波速，先拟定一个数值进行勘测，并在雷达勘测位置使用测深杆进行验证，对比测深杆测得的水深和雷达测得的水深，以此对波速进行校正，以得到准确的波速值。测量之前将扫描间隔设置为0.1 m，雷达天线的工作速度可以达到电瓶船最大运行速度；初步测量时默认水的介电常数为81，此时波速大约为33 mm/ns，通过现场采用测深杆校正波速证明实际波速与默认值近似；昆明湖水深最大处不超过6 m，并且本次试验使用的是200 m天线，因此将时窗设置为150 ns即可满足要求。由于水体、淤泥和河底三者介电常数数值相差较大，从雷达图上可以清楚地看到各个层之间的分界面(如图1所示)。

图1 昆明湖水下地形实测雷达图

四、RTK联合声呐测深仪勘测昆明湖湖底地形

声呐测深仪是通过探头往水下发射声波信号，由于声波是机械波，当声波在传播过程中遇到波阻抗不同的介质时会在界面产生反射，反射遵循斯奈尔反射定律。影响波阻抗的因素主要是介质的密度和传播波速。由于昆明湖的水深不超过6 m，因此水深对波速的影响不大。在实际勘测中通过测深杆测得的水深和声呐测深仪测得的水深进行对比，以此来校正声波在昆明湖湖水中传播的波速。

采用RTK联合声呐测深仪勘测昆明湖湖底地形时将RTK安装在测深仪的正上方，中间采用金属杆连接(如图2所示)。测深仪探头没于水中，量得测深仪和RTK之间的高差，再结合RTK实时测得的高程值和声呐测深仪实时测得的水深即可得到此刻湖底地形的准确高程。

图2 RTK联合声呐测深仪勘测昆明湖湖底地形

在对湖泊进行勘测时，第一阶段测得的湖岸地形图可以为第二阶段湖底地形的勘测提供依据，按照湖泊面积选择不同的测线间距，对湖底地形勘测进行航线规划。在实测湖底地形时，RTK除了可以实时测得点位大地坐标、当前点的高程信息外，还能对船只勘测起导航作用，并且能准确地计算出船只偏离航线的方向和偏距大小(如图3所示)。通过RTK实时测得的高程信息和测深仪测得的水深进行对比，即可得到湖地点的三维坐标信息。当然，此结论的前提是连接RTK和测深仪探头的金属杆竖直。当湖面有波浪使得船只上移时，RTK测得的高程值变大，而测深仪测得的水深也相应地变大到同样的数值，因此算得的湖底点的三维坐标值依然为真实的数值。金属杆有较小角度的偏离对实测结果影响也不大，可以忽略。但当风浪较大时就不应进行实测作业了。

图3 RTK联合测深仪勘测界面

由于昆明湖流域面积超过1 km2，本次设置测线间距为20 m。为提高测量成果的准确性，沿着测线每1 m触发一次测声仪，得到一个三维坐标数据，沿着测线每隔50 m使用测深杆测得一个深度数据，记录下来，便于后期与测深仪测得的数据进行对比验证。

五、对比分析

地质雷达与声呐测深仪勘测湖底地形的方法原理类似，在实际勘测中存在着共同点，如都是通过RTK测得的三维坐标与实测的水深结合得到湖底地形，都是利用规划好的航线进行勘测，并在后期使用软件进行处理，计算湖泊的库容量。但由于雷达采用了电磁波，测深仪采用了机械波，不同的波在介质中传播的特性不同，使得两种方法勘测城市湖泊有各自的优缺点。

使用地质雷达探测湖底地形时优点包括：①能够连续测量，每条测线连续地反映该剖面水下地形和分界面信息，对较小范围内的地形变化能够准确地反映出来，信息直观易懂；②能够清楚探测到湖底淤泥厚度；③由于电磁波的穿透性较强，雷达勘测湖底地形时受水草影响小，能够更准确地反映出湖底地形；④外业工作效率高。

使用地质雷达勘测的缺点是：①天线防水性有待加强，建议采用专门的水上天线，以便雷达天线能够更好地和水体衔接，避免不必要的电磁波能量损失。②探测不同水深需要不同频率的天线，而且探测较深水域时需要采用低频天线。地质雷达天线体积的大小和电磁波波长直接相关，而频率越低的天线其波长越长，天线体积越大，给外业勘测带来的困难越大，当湖底地形变化较大时使用地质雷达勘测就比较麻烦。如本次采用200 MHz天线勘测昆明湖，当水深超过2 m时雷达信号就消失，无法勘测到湖底地形。同时，频率越低天线的分辨率也越低，使得对淤泥厚度的分辨能力有了降低，尤其是存在薄层时，淤泥层厚度小于一定数值时存在无法探出淤泥厚度的情况。③地质雷达测得的原始数据无法直接进行分析，需要进行专业的数据处理，得到易于识别的雷达图，然后通过各个剖面的雷达图进行数据分析，从而得到各个位置的水深，因此无法在现场直接得到。当然，由于雷达图是一个个平行的剖面，可以使用三维数据处理软件处理雷达数据，得到立体的湖底地形雷达图。④地质雷达受波浪影响相比之下不如声呐测深仪。当水面静止不动时，雷达图上显示的湖底界面是真实的湖底地形；当水面有波浪导致勘测船只上下晃动时，雷达图上显示的湖底界面就不是真实的界面信息了，此时通过GPS所测得的数据对湖底进行高程校正，便可得到真实的湖底地形。

使用声波测深仪进行湖底地形勘测具有四大优点：一是探测深度范围大，深度能够从一米内至上百米，用同一频率的探头可以探测深度范围变化较大的区域。二是后期数据处理简单，对数据处理员的素质要求较低，并且不需要对数据作过多的解释。直接获得的是GPS测得的坐标信息和测深仪测得的水深联合计算出的湖底点的三维坐标，可以直接用来进行建模。三是测深仪受风浪影响比雷达测深小。四是测深仪探头可直接放入水中，实际工作中把测深仪主机放在船上即可，不需要考虑仪器防水性问题。

但使用测深仪探测有3个问题需要解决：一是当湖中水草较多时，声波穿透水草的能力较弱，使得探测的深度与真实深度会有差异；二是声波对淤泥穿透能力有限，声波进入淤泥后绝大部分能量损耗了，使得淤泥厚度探测效果不佳；三是测深仪是离散型勘测，根据奈奎斯特采样定律，测深仪对地形较陡或规模较小的地形变化无法真实地反映出来。

六、结束语

昆明湖湖泊勘测采用RTK技术和物探技术联合工作，通过对比得出：当对湖底地形变化不大或湖中水草较多的城市湖泊进行勘测时，建议使用地质雷达联合RTK进行作业，这样既可以快速准确地勘测出湖泊的库容量，还能够得到湖底淤泥的厚度；当湖底地形变化较大时则使用测深仪联合RTK进行勘测；当水深变化较大，水中淤泥厚度也需要探测出来，同时存在水草的影响时，需使用地质雷达和声呐测深仪联合工作，并用测深杆或测深绳对实测的结果进行验证，以保证勘测结果的准确性。

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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

杨伯钢(1960—)，男，陕西临潼人，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为测绘工程应用与地理信息系统应用。

杨伯钢，张劲松，霍满军.城市湖泊库容勘测方法对比研究[J].测绘通报，2014(11)：50-52.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0361