RESON SeaBat 7125 多波束測(cè)深系統(tǒng)在水下測(cè)量中的應(yīng)用

湯小云 吳金才

【摘 要】本文結(jié)合在水下測(cè)量中的應(yīng)用事例，用美國(guó)RESON公司生產(chǎn)的SeaBat 7125 多波束測(cè)深系統(tǒng)，在實(shí)際水下沉船、水下管道、跨江橋梁等工程中進(jìn)行的水下掃床測(cè)量，簡(jiǎn)要地論述了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和三維DTM 模型的建立，為同類(lèi)型水下地形測(cè)量提供指導(dǎo)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】水下掃床;多波束測(cè)深系統(tǒng);三維DTM 模型

0 概述

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，水利運(yùn)輸?shù)玫搅撕艽蟮陌l(fā)展，這為水運(yùn)航道的維護(hù)提出了更高更快的要求;實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)遇到水下沉船、跨江橋梁、水下管道、跨江橋梁等情況，這些都為高精度的水下測(cè)量提出了新的課題：必須精確確定水下河床的地形及水下物體的位置和姿態(tài)，結(jié)合用美國(guó)RESON公司生產(chǎn)的SeaBat7125多波束測(cè)深系統(tǒng)，在以上工程實(shí)踐中的實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，建立三維DTM 模型，均較清晰的反應(yīng)了水下物體的姿態(tài)，為應(yīng)用者設(shè)計(jì)和做出判斷，提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

1 多波束系統(tǒng)

1.1 多波束系統(tǒng)簡(jiǎn)介

SeaBat7125多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用水下聲納單元發(fā)射和接收脈沖聲波，聲波被河床或水中物體反射，部分被探頭接收，由聲波在水中的傳播時(shí)間與聲速的乖積即可計(jì)算出水深。該系統(tǒng)由高分辨率聲納系統(tǒng)、聲速探頭、水下聲納傳感器、全套數(shù)據(jù)采集軟件包PDS2000組成;其中400kHz聲納傳感器每次可同時(shí)采集512個(gè)水深信號(hào);最大發(fā)射開(kāi)角165° ;最大ping率達(dá)50Hz（±1Hz） 。這樣，它對(duì)水下地形測(cè)量是以一種全覆蓋的方式進(jìn)行，它測(cè)量的水下地形是一個(gè)面。SeaBat7125多波束測(cè)深系統(tǒng)由基本的系統(tǒng)、輔助設(shè)備、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理系統(tǒng)PDS200和數(shù)據(jù)后處理軟件包四部分組成。

1.2 SeaBat8125多波束測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備組成

RESON SeaBat8125超高分辯率聚焦多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成見(jiàn)圖1。

圖1

1.2.1 RESON SeaBat 7125多波束探頭

RESON SeaBat 7125多波束探頭是該多波束測(cè)深系統(tǒng)的主要設(shè)備之一。探頭為雙頻合一探頭（200kHz or 400kHz），頻率自由轉(zhuǎn)換 ，實(shí)際工作中，操作員可根據(jù)水深、測(cè)量精度要求及聲納信號(hào)質(zhì)量情況，選擇控制菜單，調(diào)節(jié)測(cè)量范圍、發(fā)射功率以及自動(dòng)增益的大小及方式等相關(guān)參數(shù)，以期達(dá)到最佳接收信號(hào)的效果。

1.2.2 光纖羅經(jīng)（Gyro）和運(yùn)動(dòng)傳感器（MRU）

光纖羅經(jīng)可精確測(cè)定載體的真方位角，且工作初始化時(shí)間較短，開(kāi)機(jī)約五分鐘后就可正常工作，;由于多波束測(cè)量系統(tǒng)是一種高精度的測(cè)量模式，平面（GPS）及水深測(cè)量（多波束探頭）設(shè)備在水下動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)姿態(tài)隨時(shí)變化，這就需要運(yùn)動(dòng)傳感器（MRU），實(shí)時(shí)測(cè)量載體的各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并把信息傳送給多波束測(cè)量采集系統(tǒng)，用來(lái)改正采集的數(shù)據(jù)，歸算成船體在平穩(wěn)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。本套SeaBat 7125多波束測(cè)量系統(tǒng)配置的光纖羅經(jīng)Gyro和運(yùn)動(dòng)傳感器，合二為一體，它體積小，精度高。

1.2.3 GPS

多波束測(cè)量系統(tǒng)平面精確定位需要一套GPS全球定位系統(tǒng)設(shè)備。目前GPS差分定位有碼差分（RTCM、EDGPS、信標(biāo)差分）和相位差分（RTK、LRK）兩種模式，作為多波束平面定位宜采用具有相位差分的GPS接收機(jī)為佳，結(jié)合測(cè)量單位具體情況，使用Leica SR1200雙頻GPS 的相位差分，一是可以提高多波束數(shù)據(jù)質(zhì)量，二是局部范圍可以實(shí)現(xiàn)無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量。

1.2.4 聲速剖面儀

多波束作為聲納設(shè)備，由于聲波在水中介質(zhì)中的傳播速度會(huì)隨著水中溫度、鹽度、壓力（深度）等條件的不同而變化，該系統(tǒng)配置一臺(tái)聲速剖面儀7125 SV2 ，安置在7125多波束探頭合適部位，測(cè)量中同步測(cè)量水體中的聲速剖面，傳送到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理系統(tǒng)PDS2000，實(shí)時(shí)用以精確改正多波束的測(cè)深值。

1.2.5 外業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)及PDS2000多波束數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)處理/可視化軟件包組合而成，軟件包是基于windows7.0 操作環(huán)境的水下地形外業(yè)測(cè)量軟件包，具有多種功能，是目前國(guó)際上較為完善的的水下測(cè)量軟件包。與各種外圍設(shè)備的連接（各種不同型號(hào)的聲納系統(tǒng)、羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器、定位GPS等），組成一個(gè)功能強(qiáng)大的測(cè)量系統(tǒng)，完成測(cè)線(xiàn)的設(shè)計(jì)，包括橢球參數(shù)的基面轉(zhuǎn)換，采集存儲(chǔ)各種測(cè)量數(shù)據(jù)，記錄測(cè)量設(shè)備的工作狀態(tài)，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理及改正，提供各種導(dǎo)航信息，以多種方式實(shí)時(shí)顯示設(shè)備工作狀態(tài)及測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.2.6 數(shù)據(jù)后處理軟件包

PDS2000和 Caris7.1 后處理軟件包，可以處理大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，特別是多波束測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清理、剔除錯(cuò)誤，并根據(jù)給定參數(shù)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的改正，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、描述和制圖。該軟件包可以生成測(cè)深數(shù)據(jù)圖、等高線(xiàn)圖、三維數(shù)字模型（DTM）圖、自動(dòng)生成斷面圖，根據(jù)自定義的基準(zhǔn)面計(jì)算方量或二次測(cè)圖間的沖淤變化量。并能夠輸入輸出多種常用格式的測(cè)量成果。

1.3 SeaBat7125多波束測(cè)量系統(tǒng)主要設(shè)備的精度指標(biāo)

Reson Seabet 7125 聲納系統(tǒng)

工作頻率：200kHz or 400kHz

測(cè)深分辨率 6 mm，在200kHz 最大ping率：50Hz（±1Hz）

發(fā)射波束寬：1°（±0.2°）在400kHz，2.2°（±0.5°） 在200kHz

接收波束寬：0.54°（±0.03°） at 400kHz，1.1°（±0.05°）

Octans光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器技術(shù)指標(biāo)

①航向 穩(wěn)態(tài)精度：±0.1 動(dòng)態(tài)精度 ±0.2 分辯率±0.01

②縱搖/橫搖 動(dòng)態(tài)精度：0.01

③升沉/橫擺/縱擺 精度：5cm

7125 SV2聲速剖面儀技術(shù)指標(biāo)

量程：1400-1550m/s ?響應(yīng)時(shí)間：<1ms

量程：-2 - +35 響應(yīng)時(shí)間：<1.5s

Leica SR1200雙頻RTK GPS接收機(jī)

動(dòng)態(tài)測(cè)量 水平精度過(guò) 10mm±1.0ppm

垂直精度 20mm±1.0ppm

點(diǎn)位更新速率：20HZ 點(diǎn)位輸出時(shí)延：<0.03s

1.4 多波束測(cè)深系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

1.4.1 與傳統(tǒng)的單波束水下測(cè)量方式對(duì)比

現(xiàn)在水下測(cè)量領(lǐng)域，動(dòng)態(tài)GPS平面定位配合單波束測(cè)深儀的單波束測(cè)量方式得到了廣泛的應(yīng)用，用單波束施測(cè)水下地形，是在待測(cè)水域內(nèi)按照合適的斷面間距勻布設(shè)斷面，測(cè)量結(jié)束后，將斷面上的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到分布均勻的測(cè)點(diǎn)和地形特征點(diǎn)，生成等值線(xiàn)采取直線(xiàn)插補(bǔ)的方法。其一，因采集的數(shù)據(jù)不夠多，特別是在相鄰的斷面間的地形特征點(diǎn)測(cè)量中被忽略，不能完全反映地形真實(shí)變化;其二，單波束測(cè)深儀的波束角一般在3°～8 °之間，對(duì)測(cè)量水深較深和地形變化較大的水域，單波束測(cè)深儀適時(shí)測(cè)量的水深本身就存在較大的誤差。這種方法在水下管道、跨江橋梁等精密工程測(cè)量中，單波束測(cè)深系統(tǒng)在使用上是有局限性的。

SeaBat 7125多波束測(cè)量系統(tǒng)的接受波束角最小達(dá)0.54°（±0.03°） ，并且以每秒1～50次（根據(jù)水深自動(dòng)調(diào)整速率）的更新速率采集數(shù)據(jù)。這樣，它對(duì)水下地形測(cè)量是以一種全覆蓋的方式進(jìn)行，它測(cè)量的水下地形是一個(gè)面，點(diǎn)位采集密度達(dá)每平方米為40～50點(diǎn)，這樣，在測(cè)量區(qū)域內(nèi)，地形就能較真實(shí)的反映出來(lái)。

1.4.2 與早期多波束測(cè)量系統(tǒng)對(duì)比

早期多波束測(cè)量系統(tǒng)采用固定掃測(cè)角和垂直安裝模式進(jìn)行水深測(cè)量，而SeaBat 7125多波束測(cè)量系統(tǒng)改進(jìn)了固定掃測(cè)模式，它具有可變壓縮掃測(cè)角模式，及把正常模式下的135°或165° 掃測(cè)角，通過(guò)調(diào)節(jié)可以壓縮到合適的角度，來(lái)掃測(cè)重要水下目標(biāo)，而掃測(cè)采集的水深信號(hào)仍然為512個(gè)，這樣就大大的提高了掃測(cè)精度;見(jiàn)圖2。另它還具有電子傾斜功能，在多波束探頭垂直安裝模式下，可以調(diào)節(jié)掃測(cè)方向傾斜-15° ～ +15°，這對(duì)一些掃測(cè)盲區(qū)（測(cè)量船不能到達(dá)的水域）具有重要意義，如碼頭、橋梁，航道邊坡水域，提高了作業(yè)效率;見(jiàn)圖3。 ? ? ? ? ? 圖 2

圖 3

綜上，RenSon SeaBat7125多波束測(cè)深系統(tǒng)在水下測(cè)量領(lǐng)域，精度和效率高，優(yōu)勢(shì)明顯。

2 項(xiàng)目水下地形測(cè)量

2.1 多波束測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備的安裝

2.1.1 SeaBat 7125探頭的安裝

SeaBat 7125聲納（聲納換能器）是這套系統(tǒng)的主要設(shè)備，一般采用固定安裝方式，在專(zhuān)用測(cè)量船軸線(xiàn)的中前部預(yù)挖一方形孔，將探頭（聲速剖面儀7125 SV2安裝在多波束探頭上）安裝在方形孔中，一般通過(guò)螺紋絲桿來(lái)固定聲納探頭，聲納頭與安裝絲桿連接使用螺釘固定，以便于升降和拆卸。

2.1.2 光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器的安裝

光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器安裝在測(cè)船中軸線(xiàn)前部位置（前艙后部），并與測(cè)船中軸線(xiàn)保持平行，使用螺栓固定在測(cè)船上，保證了設(shè)備的穩(wěn)定。

2.1.3 GPS衛(wèi)星接收天線(xiàn)的安裝

接收天線(xiàn)安裝在測(cè)船頂部中間部位，其GPS衛(wèi)星接收天線(xiàn)上部沒(méi)有遮擋物，保證了接收衛(wèi)星的數(shù)量，以提高平面定位的精度。

所有設(shè)備完裝完畢，定義船體中心位置（COG），量取各設(shè)備相對(duì)于該中心的三維坐標(biāo)。各設(shè)備安裝位置參數(shù)輸入后，調(diào)用圖形顯示畫(huà)面，檢查參數(shù)輸入正確無(wú)誤。

2.2 Leica ?SR1200雙頻RTK GPS接收機(jī)參考臺(tái)架設(shè)和水位觀(guān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)測(cè)

平面定位使用GPS相位差分方式，使用 Leica ?SR1200雙頻RTK GPS接收機(jī)作參考臺(tái)，參考臺(tái)架設(shè)于測(cè)區(qū)邊沿合適的平面控制網(wǎng)點(diǎn)上。

高程控制用于水位觀(guān)測(cè)，由等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)通過(guò)高程聯(lián)測(cè)，接測(cè)至水邊合適位置上，在測(cè)量過(guò)程中，每半小時(shí)在水位觀(guān)測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行水位觀(guān)測(cè)，讀數(shù)讀至厘米，供內(nèi)業(yè)水深數(shù)據(jù)改正用。

2.3 參數(shù)設(shè)置

多波束測(cè)量系統(tǒng)在工作前，必須設(shè)置有關(guān)參數(shù)，用于設(shè)備的連接、修正安裝偏差、獲得所需要的導(dǎo)航測(cè)量信息及用戶(hù)坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.4 系統(tǒng)安裝參數(shù)校正（Patch Test）

由于多波束系統(tǒng)是一套多傳感器系統(tǒng)，它同時(shí)接收聲納探頭、RTK-GPS、羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)校正的作用是對(duì)多信號(hào)接收源的數(shù)據(jù)同步性、安裝位置、安裝角度和偏差進(jìn)行校正試驗(yàn)，每次聲納探頭的重新安裝，都要進(jìn)行系統(tǒng)安裝參數(shù)校正測(cè)量，通過(guò)專(zhuān)用軟件，計(jì)算出校正參數(shù)，把算好的校正參數(shù)輸入到系統(tǒng)中，用于改正實(shí)際測(cè)量中的數(shù)據(jù);7125多波束測(cè)深系統(tǒng)的校正包括以下幾種：橫搖偏差——roll、縱搖偏差——pitch、艏搖偏差——yaw。

2.5 多波束系統(tǒng)測(cè)量

在多波束測(cè)深系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的軟件環(huán)境下，利用測(cè)區(qū)的GPS控制網(wǎng)（點(diǎn)）成果，先進(jìn)行測(cè)區(qū)的WGS-84坐標(biāo)系和1954年北京坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算（三參數(shù)法@X、@Y、@Z）;再把待測(cè)區(qū)原有水下地形圖轉(zhuǎn)換成外業(yè)數(shù)據(jù)采集環(huán)境的導(dǎo)航背景圖，根據(jù)測(cè)區(qū)水深情況及作業(yè)要求，編輯測(cè)區(qū)的計(jì)劃測(cè)線(xiàn)，一般順?biāo)鞣较虿荚O(shè)。

使用多波束系統(tǒng)對(duì)待測(cè)區(qū)進(jìn)行掃測(cè)數(shù)據(jù)采集工作，進(jìn)入SeaBat7125多波束測(cè)量系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集界面，分別打開(kāi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示窗口，在測(cè)量過(guò)程中，監(jiān)視各外圍設(shè)備的工作狀況、數(shù)據(jù)信號(hào)質(zhì)量以及相關(guān)的測(cè)量信息，及時(shí)調(diào)整測(cè)船航向，控制聲納接收信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)。 實(shí)際測(cè)量中，在測(cè)區(qū)根據(jù)計(jì)劃測(cè)線(xiàn)、水深及測(cè)點(diǎn)的密度要求，測(cè)船按照設(shè)計(jì)的測(cè)線(xiàn)，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行全覆蓋的測(cè)量;測(cè)量結(jié)束后，通過(guò)對(duì)已測(cè)區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)單分析判斷，一般可以迅速找出水下有明顯特征地形的區(qū)域，外業(yè)測(cè)量時(shí)，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行壓縮掃測(cè)角、電子傾斜等模式掃測(cè)，這樣可以保證外業(yè)采集到更多的數(shù)據(jù)。

2.6 內(nèi)業(yè)制圖

多波束測(cè)深系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用內(nèi)業(yè)制圖軟件包為PDS2000和 Caris7.1 后處理軟件包，該軟件包可以處理超大量的水深測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清理、剔除錯(cuò)誤，并根據(jù)給定參數(shù)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的改正，內(nèi)業(yè)處理軟件對(duì)每個(gè)波束經(jīng)過(guò)各項(xiàng)改正后的水深數(shù)據(jù)，通過(guò)PDS2000軟件包經(jīng)過(guò)水位改正，得到水深點(diǎn)的平面和高程數(shù)據(jù)，然后生成三維數(shù)字模型（DTM）圖。利用水深點(diǎn)的平面和高程數(shù)據(jù)，還可以形成等高線(xiàn)及水深注記，輸出多種常用格式的不同比例尺要求的測(cè)量成果。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 水下沉船掃測(cè)

在長(zhǎng)江航道某處有一沉船，需對(duì)其進(jìn)行掃床測(cè)量，確定沉船位置和沉船姿態(tài)，為制定相應(yīng)處理方案提供依據(jù)。利用SeaBat 7125多波束測(cè)深系統(tǒng)，對(duì)區(qū)域按要求和前面的操作仔細(xì)測(cè)量后，再對(duì)沉船區(qū)域進(jìn)行壓縮掃測(cè)，獲取更多的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后生成三維數(shù)字模型（DTM）圖4：從三維數(shù)字模型（DTM）圖上，沉船船頭絞錨機(jī)和船尾駕駛頂棚依稀可見(jiàn)。

3.2 水下排污口掃測(cè)

某企業(yè)在長(zhǎng)江岸線(xiàn)近岸水域有一排污口，受水流作用，該處水下地形有可能沖刷或淤積，為排污口的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患，必需對(duì)該排污口進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，了解它的實(shí)際狀況，判斷其運(yùn)行情況。依據(jù)前面的方法，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后生成三維數(shù)字模型（DTM）圖如5。

從三維數(shù)字模型（DTM）圖上，排污口及護(hù)樁形態(tài)完好，運(yùn)行基本正常。

圖 4

圖 5

3.3 跨江橋梁橋墩掃測(cè)

長(zhǎng)江流域有多座跨江橋梁，為了橋梁的安全運(yùn)行，需要對(duì)橋梁橋墩進(jìn)行多波束掃測(cè)，利用SeaBat 7125多波束測(cè)深系統(tǒng)，對(duì)長(zhǎng)江上某處跨江橋梁進(jìn)行掃測(cè)，對(duì)全區(qū)域按要求和前面的操作仔細(xì)測(cè)量后（若橋面較寬或水深稍淺，常規(guī)多波束測(cè)量，在橋面下方會(huì)有些盲區(qū)），再在橋梁上游和下游各進(jìn)行一條電子傾斜模式的掃測(cè)（各傾斜15°），力爭(zhēng)橋梁下方GPS盲區(qū)的河床和橋墩都全覆蓋，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成三維數(shù)字模型（DTM） 圖6。

圖6

從三維數(shù)字模型（DTM）圖上，橋墩的姿態(tài)基本可見(jiàn)。

4 小結(jié)

通過(guò)用RESON ?SeaBat 7125 多波束測(cè)深系統(tǒng)在水下沉船、水下管道、跨江橋梁等工程測(cè)量實(shí)踐中的應(yīng)用，這種測(cè)量方法具有測(cè)點(diǎn)多、測(cè)量精度高、測(cè)區(qū)全覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，測(cè)量成果多樣化，能滿(mǎn)足不同使用者的要求，在建立三維DTM 模型上，能較清楚地判斷出水下物體的姿態(tài)和水下河床的地貌特征，為相關(guān)使用者設(shè)計(jì)和做出判斷，提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。通過(guò)在這些工程實(shí)踐應(yīng)用中得到了較好地驗(yàn)證，為以后的同例水下地形測(cè)量提供了新的測(cè)量依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：張濤]