多波束測深系統(tǒng)在長江中的應用研究

余洪濤

摘 要：該文基于筆者從事多波束測深的相關工作經(jīng)驗，以多波束測深系統(tǒng)在長江中的應用為研究對象，論文首先探討了多波束測深系統(tǒng)的組成，進而以多波束測深系統(tǒng)用于采砂管理為任務背景，詳細研究分析了多波束測深系統(tǒng)在采砂管理量化監(jiān)測中的應用流程和監(jiān)測結(jié)果。

關鍵詞：多波束 測深 長江 采砂 監(jiān)測

中圖分類號：TV861 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

1 多波束水下測深系統(tǒng)

1.1 多波束測深系統(tǒng)的組成

多波束測深技術是現(xiàn)代水下探測領域的新興技術，它集成了現(xiàn)代空間測控技術、聲吶技術、計算機技術、信息處理技術等一系列高新技術，實現(xiàn)了對水下探測目標的高精度和高密度測量。該文用到的SeaBat 7125 是目前世界上較為先進、精度最高的多波束測深系統(tǒng)之一，它主要由 OCTANS 光纖羅經(jīng)和運動傳感器、聲速剖面儀、側(cè)掃圖像處理系統(tǒng)、多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PDS2000數(shù)據(jù)采集軟件）、多波束數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)（ CARIS HIPS 后處理軟件） 、QTC Multiview底質(zhì)分類系統(tǒng)等共同組成。整個系統(tǒng)的組成見圖 1。

圖1多波束測深系統(tǒng)組成

1.2 系統(tǒng)特點

（1） SeaBat 7125 以帶狀方式進行測量，波束連續(xù)發(fā)射和接收，測量覆蓋程度高，對水下地形可100% 覆蓋。與單波束比較，波束角窄，能夠完全反映細微地形的變化。單波束是點、線的反映，而多波束則是面上的整體反映。多波束測深系統(tǒng)的測量成果更真實可靠，由于是全覆蓋，其大量的水深點云數(shù)據(jù)使等值線生成真實可靠；而單波束是將斷面數(shù)據(jù)進行摘錄成圖以插補方式生成等值線，在數(shù)據(jù)采集不夠時，等值線會存在一定偏差。（2） 發(fā)射換能器向水底投射出 140°寬的覆蓋扇區(qū)，接收器同時形成 512個動態(tài)聚焦波束，測深分辨率為 6 mm，工作深度可達0～50m。波束后向散射強度圖像和檢測到的距河床底距離實時顯示在聲吶監(jiān)視器上，且便于快速質(zhì)量檢查。（3） 眾所周知，測量船只的運動姿態(tài)對水下測量的數(shù)據(jù)影響很大，多波束測深系統(tǒng)在測量前和測量時，光纖羅經(jīng)和運動傳感器實時采集船行姿態(tài)數(shù)據(jù)，PD2000 采集軟件同步記錄船姿態(tài)信息，并對船行姿態(tài)進行實時校正，進而保證后處理中的水深測量數(shù)據(jù)能夠真實有效地反映水底情況，而單波束在這方面是無法實現(xiàn)的。（4） CARIS HIPS 后處理軟件功能強大，可以根據(jù)需要抽取不同比例尺的數(shù)據(jù)成圖，生成的圖件類型有測深數(shù)據(jù)圖、水深等值線圖、三維數(shù)字地形模型（ DTM） 圖、彩色水深圖、彩色地形陰影圖以及質(zhì)量控制報告等。

2 多波束測深系統(tǒng)應用于采砂管理量化監(jiān)測

多波束測深系統(tǒng)具有測量快捷、高分辨率、高精度、全覆蓋等特點，可以現(xiàn)場監(jiān)視水下地形地貌的細微變化，非常適合水下工程及河道的監(jiān)測任務。在此背景下，采用多波速測深系統(tǒng)對區(qū)域河道進行數(shù)字化、信息化監(jiān)控管理就顯得尤為重要。

在數(shù)據(jù)處理方面，傳統(tǒng)的處理方法是通過構(gòu)建Delauny三角網(wǎng)或 Grid 規(guī)則格網(wǎng)來形成水下的DTM，再通過分塊處理、四叉樹索引來達到水下地形多尺度 LOD 顯示的效果。但是針對區(qū)域河段采砂行為的量化監(jiān)測而言，其核心思想并不是可視化，而是周期性地監(jiān)測河段砂量開采的變化情況，同時考慮到水下地形數(shù)據(jù)具有多樣性、海量性、復雜性等特點以及提高計算效率減少計算機功耗等目的，該文采用對離散點云數(shù)據(jù)進行插值擬合而非構(gòu)建 DTM的方法來處理不同時間采集的多波束水下地形數(shù)據(jù)，能夠保證有足夠的水深值來進行數(shù)據(jù)插值，保證結(jié)果的正確性且不失真。在此基礎上，對擬合曲面進行求差計算，從而得出階段時間內(nèi)河道砂石資源的變化量。輔助管理者對合理開發(fā)利用砂石資源進行決策。數(shù)據(jù)分析處理流程見圖2。

圖2采砂量化監(jiān)測流程

采集得到的這些多波束點云數(shù)據(jù)屬于大規(guī)模離散數(shù)據(jù)的一種，在這些海量的點云數(shù)據(jù)當中，偶有臨近點間的高程突變（ 局部不連續(xù)） ，但根據(jù)水下地形的特點分析，這些水下高程點的突變一般不是由水下地形的陡然起伏所造成，更為可能的是測量時產(chǎn)生噪聲點或無效數(shù)據(jù)點，需要通過濾波處理去掉無效點。

采用加權(quán)移動平均算法（ Weighted Moving Average） 對濾波后的數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理。加權(quán)移動平均算法用于將離散型分布的數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的數(shù)值，同時對原始數(shù)據(jù)進行插值加密或抽取處理，目的是用地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點表示地形表面的連續(xù)函數(shù)。

該方法十分靈活并且精度較高，計算簡單，不需要很大的計算機內(nèi)存。算法選取離散分布的數(shù)據(jù)點時，一般考慮 2 個因素：（1）范圍，即采用多大面積范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點來計算被插點的數(shù)值；（2）點數(shù)，即選取多少點參加計算被插補的點。這 2 個因素的實際應用要根據(jù)具體情況而定。范圍的大小是以某個被插值點為圓心，以 R 為半徑來確定的。其半徑?jīng)Q定與原始數(shù)據(jù)點的疏密程度和原始數(shù)據(jù)點可能影響的范圍。由于原始數(shù)據(jù)點分布不均勻，為了保證求解二次曲面方程，要有足夠數(shù)量的點，但又不能太多，因此圓半徑不是固定的。對于動態(tài)變化的圓半徑的決定，可以采用逐步變動的做法，見圖 3。

圖3動態(tài)圓法網(wǎng)格化示意圖

將研究河段內(nèi)水下地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的連續(xù)函數(shù)，采用規(guī)則圓方法，拾取規(guī)格化節(jié)點臨域范圍內(nèi)掃測值進行擬合計算。對于每一個新點選取其鄰近的 n 個數(shù)據(jù)點。把新點作為平面坐標的原點，然后用一個多項式曲面擬合。多項式中的各參數(shù)由 n 個數(shù)據(jù)點求得。

3 采砂管理量化監(jiān)測的應用工程實例

按照此技術路線于 2014 年 5 月 25 日和 2015年 3月 27 日 2 次分別對長江流域某采砂河段的河床進行了分階段的測量，前次測量時水面高程為164. 247 m；后次測量時水面高程為161. 978m，其水下地形示意圖見圖4。兩次測量的目的，就是為了得到階段時間內(nèi)區(qū)域河道內(nèi)砂石資源量的動態(tài)變形情況。

按照上述方法分別擬合插值兩次測量得到的多波束數(shù)據(jù)，并采取俯視的角度進行比較。截取圖5中紅色區(qū)域的斷面進行分析，如圖6所示。可得出以下結(jié)論：由于采砂活動的進行，截止 2015 年 3 月，主河道重點采砂監(jiān)控區(qū)域相比于 2014 年 5 月最深處被開挖 2.32m，被開挖斷面區(qū)域大約寬為38.7m，1 000m長的河道內(nèi)被開采的砂石量約為 7 萬 m3。

圖4兩次水下地形對比圖

圖5特征斷面示意圖

圖6 采砂量變化對比圖

5 結(jié)語

該文以長江流域某采砂河段為監(jiān)控對象，提出了基于水下多波束測深技術的河道采砂量化監(jiān)測管理手段，并運用相關算法計算出采砂量，具有直觀性、高效性和可靠性，大大減少了人工作業(yè)量，改變了傳統(tǒng)監(jiān)測的落后手段，為河道采砂資源優(yōu)化利用和有序監(jiān)管提供了有效的技術支撐。多波束測深系統(tǒng)除了能量化監(jiān)測河道砂石資源的變化外，還可廣泛應用于堤防、水庫、湖泊及海洋等水域的水下地形測量，進行水下工程及其水工建筑物的安全檢測（ 如拋石護岸等）；河道疏浚及港口、碼頭、橋梁的工程測量； 水下管線、電纜等的監(jiān)測；沉船、水下物體的打撈搜尋等。這套系統(tǒng)的測量效益、實用性和廣闊的應用前景將進一步顯現(xiàn)。

參考文獻

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