基于多波束測(cè)深技術(shù)的長(zhǎng)江航道測(cè)量研究

摘 要：該文基于筆者多年從事航道測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以SEABAT8101多波束測(cè)深系統(tǒng)在某航道疏浚工程中的應(yīng)用為研究對(duì)象，探討了多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝測(cè)試方法，定位導(dǎo)航實(shí)施方法，及測(cè)量步驟與數(shù)據(jù)處理思路，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：多波束測(cè)深系統(tǒng) 航道疏浚 數(shù)據(jù)處理 導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：U612文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（a）-0052-02

1 工程概況

重慶港地處我國(guó)中西結(jié)合部，水路可直達(dá)長(zhǎng)江八省二市，陸路與成渝、襄渝、渝黔、渝懷鐵路和成渝、渝黔、重慶至武漢、重慶至長(zhǎng)沙等高速公路相連，是長(zhǎng)江上游最大的內(nèi)河主樞紐港，現(xiàn)為全國(guó)內(nèi)河主要港口。水位：歷年最高水位為193.38 m，最低水位為159.47 m。常年水位落差在20 m以上。港口中心區(qū)平均表面流速，長(zhǎng)江枯水位為0.9～1.95 m/s，中洪水為2.5～4 m/s；嘉陵江枯水位為0.91～1.87 m/s，中洪水為3～4 m/s，最大流速為4～7 m/s。

2 多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝測(cè)試

本工程中投入SEABAT8101多波束系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量實(shí)施。該系統(tǒng)在引進(jìn)后就一直都是安裝在固定的測(cè)量船的固定位置上，所以系統(tǒng)進(jìn)行使用都是整體工作的。

多波束測(cè)深系統(tǒng)的各部分，按設(shè)計(jì)位置進(jìn)行安裝，并量測(cè)DGPS接收機(jī)天線，多束換能器、運(yùn)動(dòng)傳感器（DMS-05）、電羅經(jīng)等相對(duì)船體坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置關(guān)系。量測(cè)各傳感器相對(duì)船體坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移量，以便在數(shù)據(jù)處理進(jìn)行相應(yīng)的改正。

2.1 電羅經(jīng)傳感器的安裝

電羅經(jīng)的安裝位置有著嚴(yán)格的要求，電羅經(jīng)傳感器應(yīng)安裝在船舶中心附近，電羅經(jīng)指示方向應(yīng)與船首方向一致，并且要求在船體坐標(biāo)系的水平面內(nèi)。安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離導(dǎo)磁物質(zhì)或易被磁化的物質(zhì)；電羅經(jīng)與較大的鐵性物體、強(qiáng)電流的電線及電池組至少保持1.3～1.5 m的距離；一些電子設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、電視顯示器、雷達(dá)磁控管、擴(kuò)音器、UPS不間斷電源裝置等）的使用會(huì)影響電羅經(jīng)的正常工作，使其測(cè)出的方向數(shù)據(jù)失真或干憂，應(yīng)遠(yuǎn)離它們。

2.2 運(yùn)動(dòng)傳感器（運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償儀，DMS-05）的安裝

運(yùn)動(dòng)傳感器應(yīng)固定安裝，并盡可能與水平面平行；運(yùn)動(dòng)傳感器離船舶重心的越遠(yuǎn)，船舶縱橫傾幅度越大，產(chǎn)生的測(cè)量誤差也越大，所以安裝位置應(yīng)在船舶的重心或盡可能靠近重心；運(yùn)動(dòng)傳感器的安裝具有方向性，其罩殼上的指示方向應(yīng)與船艏方向一致，否則將產(chǎn)生反向改正，造成嚴(yán)重誤差。

2.3 多波束換能器的安裝

多波束換能器的安裝主要取決于船型和船的結(jié)構(gòu)。同時(shí)還應(yīng)考慮多波束測(cè)深系統(tǒng)使用的水域，如在內(nèi)河測(cè)量，因受風(fēng)浪的程度較小，可以安裝在船首，而在潮汐河口或近海水域，因受風(fēng)浪的程度較大，宜采用船舷固定安裝。安裝時(shí)要注意固定好，以免測(cè)量換能器產(chǎn)生抖動(dòng)，下沉。此外，還考慮換能器的安全性，以免在靠離碼頭碰撞損壞，建議安裝的換能器，還具有可拆卸或可移動(dòng)的功能。

2.4 DGPS接收機(jī)天線的安裝

DGPS接收機(jī)天線應(yīng)安裝在船舶高處（低于避雷針），視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不能超過(guò)10 °；盡可能遠(yuǎn)離船舶主桅桿；盡量遠(yuǎn)離大功率的無(wú)線電發(fā)射信號(hào)源（如雷達(dá)、高頻電話天線等）；天線安裝要穩(wěn)固，避免船舶姿態(tài)變化使其產(chǎn)生位移；天線位置應(yīng)選擇遠(yuǎn)離船體大型金屬物體結(jié)構(gòu)，距甲板高度至少在1.5 m以上，減少信號(hào)多路徑效應(yīng)。

系統(tǒng)安裝后，應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試可分為通電測(cè)試和航行測(cè)試。通電測(cè)試：在靜態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行，檢查系統(tǒng)各部分電纜連接是否良好牢靠，正確無(wú)誤；檢查接地是否正確，牢靠；檢查供電電源輸出電壓是否正常，直流供電的極性是否正確無(wú)誤，一切正常后，開(kāi)始目測(cè)系統(tǒng)各部分的通電運(yùn)行狀況、信號(hào)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的通信情況。航行測(cè)試：要選擇適宜水域設(shè)測(cè)多條往返重復(fù)測(cè)線進(jìn)行橫傾、縱傾、定位延遲、電羅經(jīng)偏差等系統(tǒng)參數(shù)改正。此外，在測(cè)試過(guò)程中還要檢查、測(cè)試DGPS接收機(jī)、聲速剖面儀、電羅徑等是否工作正常。目前，上述各測(cè)試項(xiàng)目不僅僅是安裝測(cè)試的要求，而且已列為每個(gè)航次或承接新測(cè)量項(xiàng)目之前，必須要做的工作。

（1）電羅經(jīng)的測(cè)試與校準(zhǔn)

電羅經(jīng)安裝后，電羅經(jīng)指向與船舶指向可能存在偏差，這個(gè)偏差叫航偏差，因?yàn)槎嗖ㄊ鴾y(cè)深系統(tǒng)發(fā)射的扇形聲波束接收陣列的排列與船艏是相互垂直的，如果電羅經(jīng)的指向與船首航向不一致，將影響換能器陣列的發(fā)射，接收角度，導(dǎo)致覆蓋寬度減少，降低工作效率。更重要的是，這將導(dǎo)致除中央波束外的所有波束定位錯(cuò)誤，離中央波束越遠(yuǎn)，誤差越大，從而導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。為此，需要對(duì)電羅經(jīng)進(jìn)行測(cè)試與校準(zhǔn)。電羅經(jīng)測(cè)試有三種方法，一是，為可在船舶?？看a頭時(shí)進(jìn)行，使用經(jīng)緯儀精確確定船艏向，并與電羅經(jīng)的指向進(jìn)行對(duì)比，確定電羅經(jīng)的校正值。二是，可選擇開(kāi)闊的水域進(jìn)行，其方法是測(cè)量船按200 m直徑的圓周運(yùn)動(dòng)，連續(xù)航行4周，采用專門軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理，獲得校準(zhǔn)值。三是，利用水域中的突出標(biāo)志物，先在這標(biāo)志物的一側(cè)作直線航行，用右舷邊緣波束測(cè)量標(biāo)志物，得到一個(gè)文件；然后，在標(biāo)志物的另一側(cè)作反向直線航行，同樣用右舷邊緣波束測(cè)量標(biāo)志物，得到另一個(gè)文件（這兩條測(cè)線平行且與標(biāo)志物的距離相等）。第一次航行時(shí)，由于存在電羅經(jīng)誤差的航偏差（角）g，故突出標(biāo)志物R位置的水深點(diǎn)R1；同樣，第二次航行時(shí)，R位置的水深點(diǎn)偏移到了R2，測(cè)量R1與R2之間的距離d，航跡與突出標(biāo)志物點(diǎn)R之間的垂直距離為r，則可按式（1）計(jì)算出航偏差角，

g——航偏差；d——測(cè)量R1與R2之間的距離；r——航跡與突出標(biāo)志物點(diǎn)R之間的垂直距離。

（2）橫傾偏差角，縱傾偏差角測(cè)定及校正

橫傾偏角是換能器與水平面垂直龍骨方向的夾角，縱傾偏差角是換能器與水平面縱向的夾角。它們是多波束測(cè)深的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)角實(shí)際上都包含一個(gè)動(dòng)態(tài)分量和一個(gè)靜態(tài)分量。動(dòng)態(tài)分量是由風(fēng)、涌、波浪等因素造成的，可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器（或稱波浪補(bǔ)償儀）予以校正。靜態(tài)分量是由于安裝時(shí)造成的，分別稱為橫傾角和縱傾角。

橫傾偏差角校正是針對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)的換能器在安裝過(guò)程中可能存在的橫向角度誤差而引入的一種校正方法。當(dāng)換能器橫向安裝角度與理論設(shè)計(jì)角存在偏差時(shí)，水底地形將受到嚴(yán)重彎曲，為此，必須進(jìn)行橫傾偏差角的測(cè)定與校正。

由于定位值延遲和縱傾角（偏差）均造成測(cè)點(diǎn)前后位移，因此，橫傾偏差角校正獨(dú)立于其他校正，故應(yīng)予首先進(jìn)行測(cè)定。橫傾偏差角的測(cè)定，選擇一處比較平坦的水域布置一測(cè)線在風(fēng)浪較小的狀況下，以正常的航速往返測(cè)量，選擇符合要求的兩條測(cè)線（航向相反、航跡較直且重復(fù)性較好，時(shí)間相隔短），然后用多波束測(cè)深系統(tǒng)的橫傾模塊，在垂直測(cè)線方向截取斷面。通過(guò)調(diào)整橫傾偏差角，使兩斷面最佳重合，這時(shí)的值就是橫傾偏差角。

3 定位導(dǎo)航

本項(xiàng)目水深測(cè)量作業(yè)平面定位擬全部采用RBN-DGPS技術(shù)實(shí)施。由于DGPS獲取的是WGS-84坐標(biāo)，而測(cè)量成圖所用的坐標(biāo)系為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系。因此，在測(cè)量前必須先求取WGS-84到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

WGS-84坐標(biāo)系至當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)可直接利用業(yè)主控制點(diǎn)（業(yè)主提供或從當(dāng)?shù)販y(cè)繪主管部門購(gòu)買）中2～3個(gè)控制點(diǎn)求取。為檢驗(yàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的準(zhǔn)確度，使用RBN-DGPS接收機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì)，利用實(shí)測(cè)坐標(biāo)與已知坐標(biāo)的比對(duì)差來(lái)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的準(zhǔn)確性，比對(duì)結(jié)果滿足規(guī)范要求方可投入使用。DGPS信標(biāo)接收機(jī)接收交通部設(shè)立在洲島上定位系統(tǒng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行平面定位。

4 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

4.1 掃道設(shè)計(jì)和測(cè)線布設(shè)

（1）掃道方向

在掃道方向設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到多波束測(cè)深系統(tǒng)采集的是高密度條帶式水深數(shù)據(jù)，它可以對(duì)水下地形進(jìn)行全覆蓋測(cè)深。在正常工作環(huán)境中，只要船速選擇適當(dāng)，就不會(huì)把特殊水深遺漏，因此，掃道方向的設(shè)計(jì)順著航道方向布設(shè)。

（2）掃道寬度

SEABAT810的掃道設(shè)計(jì)寬度為W=2D圖tanθ，式中D圖為海圖水深，θ為波束角。在實(shí)際操作中，掃道寬度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水深來(lái)確定，是以掃道設(shè)計(jì)寬度值為準(zhǔn)。另考慮到施工時(shí)對(duì)漲潮水位的充分利用，也可以實(shí)際掃側(cè)數(shù)據(jù)填滿屏幕顯示的設(shè)計(jì)范圍并有重疊為準(zhǔn)。

（3）重疊帶寬度

《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)測(cè)圖比例尺大于1：5000時(shí)，測(cè)深定位點(diǎn)點(diǎn)位中誤差限值為圖上1.5 mm，定位點(diǎn)記錄中誤差為圖上0.5 mm。

重疊帶寬度計(jì)算如下：

式中，

S——多波束掃側(cè)重疊帶寬度；E0——測(cè)量船定位中誤差；E1——船舶偏航系統(tǒng)性誤差。

根據(jù)上述的要求對(duì)重慶港航道進(jìn)行測(cè)線布設(shè)：多波束測(cè)線平行于航道布設(shè)，測(cè)線間距10m，測(cè)量時(shí)根據(jù)覆蓋寬度選擇測(cè)線號(hào)，保證在測(cè)量范圍內(nèi)全覆蓋測(cè)量。

4.2 測(cè)量實(shí)施和數(shù)據(jù)后處理

多波束測(cè)量使用的是PDS2000測(cè)量軟件，軟件同步采集DGPS位置數(shù)據(jù)、多波束測(cè)深儀水深測(cè)量數(shù)據(jù)、波浪補(bǔ)償儀姿態(tài)補(bǔ)償數(shù)據(jù)、電羅經(jīng)數(shù)據(jù)。聲速儀實(shí)時(shí)采集聲速數(shù)據(jù)確定單波束聲速和多波束的聲速剖面。使用CARIS后處理軟件進(jìn)行水深點(diǎn)的后處理，除去假水深，在CARIS軟件中錄入潮位信息，自動(dòng)對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行水位改正。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和成圖兩個(gè)部分。預(yù)處理主要包括定位數(shù)據(jù)處理，聲速剖面數(shù)據(jù)處理，潮位數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)數(shù)據(jù)處理，深度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)編輯、去噪、合并、清項(xiàng)；成圖處理是對(duì)預(yù)處理后得到的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，生成數(shù)字地形模型（DTM），形成海底地形圖。

4.3 成果應(yīng)用分析

對(duì)航槽施工區(qū)段的定期測(cè)量，將獲得的數(shù)據(jù)提供給施工船舶進(jìn)行施工作業(yè)。通過(guò)這種方式可以提高施工效率，保證疏浚質(zhì)量。得到的多波束數(shù)據(jù)能很直觀的反映出施工時(shí)遺漏的淺點(diǎn)，以及疏浚效能的分布。這一點(diǎn)通過(guò)單波束測(cè)量手段是無(wú)法做到的。下面抽取一次多波束測(cè)量后處理得到的航道區(qū)域內(nèi)三維立體效果圖（圖1）。

參考文獻(xiàn)

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