（本文發(fā)表于2025年第3期）

作者簡(jiǎn)介

第一作者耿仕濤 , 助理工程師，主要從事自然資源調(diào)查與科普研究工作。

通信作者 安洪巖，工程師，主要從事水資源基礎(chǔ)調(diào)查工作。

> 對(duì)角線上的生態(tài)詩(shī) 視覺中國(guó) / 供

鑲嵌在大地之上的湖泊如同生態(tài)系統(tǒng)的藍(lán)色心臟，既是維系陸地生命網(wǎng)絡(luò)的淡水樞紐，也是解譯地球水文密碼的關(guān)鍵載體。湖泊通過(guò)持續(xù)的水循環(huán)構(gòu)建起多維生態(tài)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)：其蓄積的萬(wàn)億立方米淡水支撐著人類社會(huì)命脈，通過(guò)蒸發(fā)—降水機(jī)制調(diào)節(jié)區(qū)域氣候，在碳、氮、磷等元素循環(huán)中搭建生物地球化學(xué)通道，更為水生生物提供生存家園。這種復(fù)合生態(tài)價(jià)值決定了精確掌握其三維形態(tài)的緊迫性和必要性，只有通過(guò)高精度水下地形模型，才能有效支撐對(duì)湖泊生態(tài)承載力的評(píng)價(jià)。

> 湖與城

現(xiàn)代湖泊水下地形測(cè)量技術(shù)主要以單波束、多波束聲波測(cè)深系統(tǒng)為主，通過(guò)高頻脈沖掃描湖底，利用聲波在淡水中約1430~1480米/秒的傳播速度，將計(jì)算往返時(shí)差轉(zhuǎn)化為厘米級(jí)精度的水深數(shù)據(jù)，進(jìn)而刻畫出水下跌宕起伏的世界。測(cè)湖人員通過(guò)這種系統(tǒng)化作業(yè)采集的數(shù)百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)專業(yè)軟件的智能擬合，最終將神秘的水下世界轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型，這個(gè)模型不僅能清晰展現(xiàn)湖盆的溝壑起伏，更能通過(guò)計(jì)算得出不同水位對(duì)應(yīng)的“水立方”容積。然而要實(shí)現(xiàn)這樣精密的測(cè)繪，對(duì)于面積較小、地形復(fù)雜的中小型湖泊來(lái)說(shuō)，還面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。以下就以中國(guó)東部平原湖區(qū)湖泊調(diào)查為例，破解中小型湖泊測(cè)量難點(diǎn)。

> 水下地形測(cè)量 毛寬振 / 攝

01

剖析難點(diǎn) 洞悉關(guān)鍵

中國(guó)東部平原湖區(qū)主要分布于長(zhǎng)江中下游流域、淮河流域、海河流域及黃淮海平原區(qū)域，是我國(guó)淡水湖泊分布最為集中的地理單元。該區(qū)域除洞庭湖、鄱陽(yáng)湖、太湖、巢湖和洪澤湖五大淡水湖外，其他湖泊大多屬中小型規(guī)模。其類型多屬河成湖，呈現(xiàn)典型淺水湖泊特征，具體表現(xiàn)為水體深度較淺、湖底地形平緩且形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變等特點(diǎn)。在實(shí)地測(cè)量作業(yè)中，常面臨多重技術(shù)挑戰(zhàn)。其一，人類活動(dòng)產(chǎn)生的物理阻隔設(shè)施，如圍湖養(yǎng)殖區(qū)、捕魚地籠裝置及圍網(wǎng)捕魚設(shè)施等人工障礙物，對(duì)測(cè)量線路形成空間制約；其二，高溫極端天氣、高強(qiáng)度太陽(yáng)輻射、水面風(fēng)浪擾動(dòng)等復(fù)合型自然干擾因素疊加作用；其三，淺水區(qū)域、水生植被密集區(qū)等特殊水文環(huán)境對(duì)測(cè)量船只通行構(gòu)成顯著阻礙。這些技術(shù)難題可系統(tǒng)歸納為“淺、變、草、網(wǎng)、塘”五大測(cè)量障礙類型。若在關(guān)鍵測(cè)量技術(shù)環(huán)節(jié)處置失當(dāng)，將直接導(dǎo)致測(cè)量精度降低及水文數(shù)據(jù)失真等系統(tǒng)性誤差問(wèn)題。

“淺”之難。由于平原地區(qū)中小型湖泊普遍水深相對(duì)較淺、湖底地形平緩，其岸線淺水區(qū)域水深往往不足50厘米，行船時(shí)往往擔(dān)心吃水深度不足，導(dǎo)致擱淺而不敢靠近岸線作業(yè)，使得近岸區(qū)域測(cè)量精度受限。同時(shí)，淺水區(qū)域通常沉積物較厚，且受風(fēng)浪影響顯著，水體擾動(dòng)頻繁，這些因素都會(huì)對(duì)測(cè)深儀的回波信號(hào)產(chǎn)生干擾，影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

“變”之難。中小型湖泊在豐水期與枯水期交替的過(guò)程中，形態(tài)特征會(huì)發(fā)生劇烈變化。例如，在暴雨等極端天氣條件下，水域面積急劇擴(kuò)張，水位快速變化，導(dǎo)致湖泊岸線可能在數(shù)小時(shí)內(nèi)發(fā)生顯著位移，位移幅度可達(dá)數(shù)十米甚至上百米。這種極端情況下的快速形態(tài)變化，給水下地形測(cè)量工作帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)和不確定性，要求測(cè)量工作必須具備靈活的調(diào)整方案和快速響應(yīng)能力。

> “變”之難——龍感湖枯水期 耿仕濤 / 攝

“草”之難。中小型湖泊因其“淺、平”的湖盆地形，往往具有內(nèi)緣低洼、岸線曲折綿長(zhǎng)的特點(diǎn)，為水生植被提供了天然溫床，使得單位面積生物量遠(yuǎn)超大型湖泊。湖岸邊緣茂密的水草帶形成天然屏障，作業(yè)中設(shè)備易被纏繞干擾——發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)因螺旋槳被水草纏住而熄火，聲波信號(hào)也會(huì)因照射在植被上遭吸收散射而沒有真正到達(dá)湖底，出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，限制了測(cè)量工作的精度與可操作性。

> “草”之難

“網(wǎng)”之難。部分中小型湖泊受人類活動(dòng)如圍網(wǎng)捕魚、圍網(wǎng)養(yǎng)殖等因素影響。圍網(wǎng)所構(gòu)成的物理屏障，容易遮擋部分水域形成測(cè)量盲區(qū)，而水下圍網(wǎng)更會(huì)造成纏繞測(cè)深設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，限制了船舶測(cè)量活動(dòng)。這種人為干擾不僅影響數(shù)據(jù)的完整性，更增加了測(cè)量成本和時(shí)間投入。

> “網(wǎng)”之難 耿仕濤 / 攝

“塘”之難。圍湖養(yǎng)殖不僅重塑了湖泊形態(tài)，將其割裂為人工坑塘，更在空間上制造測(cè)量盲區(qū)，在生態(tài)上改變了水文特征。養(yǎng)殖設(shè)施縱橫交錯(cuò)，既限制測(cè)量路徑，又干擾數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，水產(chǎn)養(yǎng)殖勢(shì)必影響到水質(zhì)的變化，加上測(cè)量中還需考慮到養(yǎng)殖生物的安全，避免對(duì)其造成不必要的干擾或傷害，使得尋常船舶難以支撐測(cè)量活動(dòng)。

> “塘”之難 視覺中國(guó) / 供

中國(guó)東部平原湖區(qū)中小型湖泊水下地形測(cè)量中遇到的“淺、變、草、網(wǎng)、塘”五大測(cè)量難點(diǎn)并不是單一出現(xiàn)，往往是疊加在一起，問(wèn)題錯(cuò)綜復(fù)雜，影響測(cè)量作業(yè)。那么，種種難點(diǎn)匯聚，實(shí)操中如何破局，測(cè)湖人員需要綜合考量影響因素，抓住關(guān)鍵矛盾，因地制宜，逐一化解，確保水下地形測(cè)量順利進(jìn)行，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

02

見招拆招 破題有道

系統(tǒng)剖析“五難”問(wèn)題，創(chuàng)新構(gòu)建分區(qū)測(cè)量體系，將湖泊測(cè)量整體工作細(xì)化成五大特征區(qū)：一般湖區(qū)、豐枯變化區(qū)、水草密集區(qū)、養(yǎng)殖活動(dòng)區(qū)和坑塘改造區(qū)。測(cè)量工作以“優(yōu)鋪全局、細(xì)解難題”為基調(diào)，采取優(yōu)先推進(jìn)大水面作業(yè)、靈活穿插進(jìn)行難點(diǎn)攻堅(jiān)的方法，高效推進(jìn)測(cè)量進(jìn)程，逐一攻克問(wèn)題難點(diǎn)。通過(guò)分區(qū)施策、梯次推進(jìn)方式，既能確保測(cè)量效率，又可以攻克技術(shù)瓶頸，最終實(shí)現(xiàn)湖泊全域高精度測(cè)量的整體目標(biāo)。

> 湖泊測(cè)量 耿仕濤 / 攝

“遙”與“波”組合，把控豐枯變化，破“淺”與“變”之難。為把控豐枯變化顯著湖區(qū)的測(cè)量質(zhì)量，需結(jié)合實(shí)景三維中國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)字高程模型，進(jìn)行水—陸一體化測(cè)量。

中小型湖泊測(cè)量宜選枯水期開展作業(yè)，其形態(tài)、水體相對(duì)穩(wěn)定，實(shí)地測(cè)量工作量相對(duì)較少?？菟诳梢宰畲笙薅鹊匕l(fā)揮遙感技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)時(shí)獲取水面以上的地形信息，記錄岸線、地形和土地利用情況，再結(jié)合測(cè)深儀（單波束或多波束）完成對(duì)枯水期水體的水下地形測(cè)量，建立水—陸一體化數(shù)字高程模型。

豐水期湖泊形態(tài)相對(duì)不穩(wěn)定，這就需要在枯水期測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，適時(shí)利用無(wú)人機(jī)載體優(yōu)勢(shì)，搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)，高效獲取復(fù)雜區(qū)域水面以上的數(shù)據(jù)，同步部署無(wú)人測(cè)深船，配備單波束或多波束模組，精確測(cè)量淺灘區(qū)域水下地形。這種空—水一體化測(cè)量體系，既能突破傳統(tǒng)船舶作業(yè)限制，又能確保測(cè)量精度，為豐水期湖泊測(cè)量提供創(chuàng)新解決方案。

水—陸一體化測(cè)量能有效把控豐枯變化，通過(guò)陸域與水下數(shù)據(jù)重疊區(qū)的交叉驗(yàn)證，確保測(cè)量精度符合要求，保證數(shù)據(jù)的可靠性和一致性，為數(shù)據(jù)融合提供基礎(chǔ)，生成準(zhǔn)確的數(shù)字高程模型。與此同時(shí)，衛(wèi)星遙感可對(duì)湖泊進(jìn)行持續(xù)性有效監(jiān)測(cè)，掌握多年水域變化規(guī)律，水—陸一體化測(cè)量則提供精確的空間基準(zhǔn)，兩者協(xié)同為湖泊科學(xué)研究構(gòu)建起多尺度、多維度的數(shù)據(jù)支撐體系。

> 空-水-陸一體化測(cè)量體系 安洪巖、任文廣、趙男 / 供

“控”字訣，輔助提升測(cè)量準(zhǔn)確性。首先，在測(cè)量作業(yè)中“控”質(zhì)量。船舶搭載測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)量作業(yè)過(guò)程中，為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和全面性，測(cè)量工作常輔以測(cè)深桿或測(cè)深錘等其他測(cè)量手段，驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性，控制測(cè)量質(zhì)量。其次，還可以在岸線調(diào)查中“控”難點(diǎn)，在沒有無(wú)人機(jī)載體的情況下，采取增加測(cè)量控制點(diǎn)的方法，提升測(cè)量精度和可靠性，輔助完成測(cè)量。其方法是結(jié)合測(cè)線布設(shè)規(guī)律，調(diào)查員利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)（RTK）對(duì)岸線實(shí)地定位，記錄實(shí)地情況，同時(shí)可穿水叉褲對(duì)淺灘區(qū)進(jìn)行人工測(cè)深，破除“淺”“變”之難。利用人工方式補(bǔ)充測(cè)量雖然效率較低，但能充分保證調(diào)查精度，既完成了湖區(qū)邊界調(diào)查，又兼顧了測(cè)線淺水區(qū)的測(cè)深工作。

> 岸線調(diào)查 耿仕濤 / 攝

“船”字訣，厘清水草湖區(qū)底數(shù)。在水草豐茂的湖區(qū)測(cè)量常常會(huì)遭遇水草纏繞換能器（測(cè)深儀發(fā)射裝置）或者船舶螺旋槳的困境，不僅妨礙了測(cè)量工作，還可能對(duì)設(shè)備造成損傷，甚至干擾數(shù)據(jù)獲取。在水草過(guò)于密集的情況下，如成片的菱角、水葫蘆、荷花等水生植物會(huì)導(dǎo)致正常機(jī)械船和無(wú)人船無(wú)法進(jìn)入，需人工撐船利用測(cè)深桿或測(cè)深錘逐點(diǎn)采集水深數(shù)據(jù)。在此種情況下，可以采集水草區(qū)周邊的水深數(shù)據(jù)，并結(jié)合水草區(qū)內(nèi)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)模型推演推算出水草區(qū)的水下地形，這種綜合測(cè)量與分析方法，不僅深化了對(duì)水草湖區(qū)的認(rèn)識(shí)，也降低了測(cè)量作業(yè)對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響。

> 人工比測(cè) 安洪巖 / 攝

“控”與“船”搭配，掃清測(cè)量盲區(qū)，破“網(wǎng)”與“塘”之難。中小型湖泊水下測(cè)量盲區(qū)主要是受物理隔絕影響的圍網(wǎng)養(yǎng)殖和坑塘。在測(cè)量養(yǎng)殖湖區(qū)時(shí)，需重新規(guī)劃測(cè)線，沿水道布設(shè)，以獲取水體流動(dòng)和水深數(shù)據(jù)。測(cè)量人員應(yīng)考慮水流、水草和養(yǎng)殖網(wǎng)圍布局，確保覆蓋關(guān)鍵區(qū)域。面對(duì)面積相對(duì)較小的圍網(wǎng)區(qū)域時(shí)，可在圍網(wǎng)外圍加密測(cè)線，獲取密集水深數(shù)據(jù)，進(jìn)而推算內(nèi)部地形；也可將無(wú)人測(cè)深船投放到圍網(wǎng)內(nèi)自動(dòng)測(cè)量水深并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，減少人工誤差，確保數(shù)據(jù)全面可靠。面對(duì)數(shù)量繁雜的坑塘區(qū)時(shí)，可采用抽檢的方法，通常抽取1% ~ 5%的坑塘進(jìn)行測(cè)量。有無(wú)人測(cè)深船時(shí)，可利用其優(yōu)勢(shì)完成測(cè)量，若沒有無(wú)人船，則可利用人工測(cè)深方法。這種抽檢比例不僅能保證樣本的代表性，還能有效降低工作量，提高效率。同時(shí)，為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性，采集點(diǎn)應(yīng)在大小不同的坑塘中均勻分布，常見的采集點(diǎn)布局為“十”字形或“井”字形，可有效覆蓋坑塘各區(qū)域，并清晰描繪水深分布，以反映出各類坑塘的水深變化情況，便于后續(xù)分析和管理。在實(shí)際操作中，需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：根據(jù)坑塘形狀、底部特征及水流情況調(diào)整采集點(diǎn)，特別是在水流明顯或水草生長(zhǎng)區(qū)域增加采集點(diǎn)，以獲得更精確的水深數(shù)據(jù)。

中小型湖泊水下地形測(cè)量面對(duì)“五難”問(wèn)題，既有自然因素影響，亦受人類活動(dòng)制約，其概括未必全面卻是實(shí)踐中存在的共性問(wèn)題。面對(duì)問(wèn)題，靈活施用“遙”與“波”組合，發(fā)揮“船、機(jī)”載體優(yōu)勢(shì)，采用人“控”作業(yè)兜底等多方法融匯，可以破解“五難”，形成體系打法。這套體系破題之道不僅提升了湖泊調(diào)查的效率，也確保了測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，更是將“山水林田湖草沙”生命共同體理念付諸實(shí)踐的具體體現(xiàn)。

作者： 耿仕濤 張 通 李 楊 寧文斌 安洪巖

編輯： 何陳臨秋

排版： 劉欣潼

審核： 常 艷

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