基于多波束聲吶系統(tǒng)的水深測量技術(shù)研究

胡玗晗

摘 要：本文以多波束聲吶系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用為研究對象，探討了多波束聲吶系統(tǒng)的原理、數(shù)據(jù)處理方法，并以傳統(tǒng)的掃床方式對多波束測深系統(tǒng)的質(zhì)量的進(jìn)行了檢驗，結(jié)果表明，在水深30m的情況下，通過3～4次的反復(fù)掃測完全能夠達(dá)到測點間距為3.6cm，這樣的測點密度完全能夠檢測到水下細(xì)小的礁石，能夠非常詳細(xì)地反映施工區(qū)域水下地形情況。且多波束測深系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)在施測過程中就可以實時顯示水下區(qū)域的地形情況，測量數(shù)據(jù)不僅可以制作平面的地形圖，還可以制作三維模型，展示的效果直觀豐富。

關(guān)鍵詞：多波束測深系統(tǒng) 航道炸礁 質(zhì)量檢驗 應(yīng)用研究

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（a）-0036-02

在某工程施工中，需要對水下地形情況進(jìn)行掃測，本文利用多波束聲吶系統(tǒng)進(jìn)行了測量，并用傳統(tǒng)掃床方式進(jìn)行了質(zhì)量檢驗。

1 多波束水下地形掃測

本次項目掃測采用的多波束測深系統(tǒng)是由丹麥RESON公司生產(chǎn)的SeaBat 7125 SV2型高分辨率多波束聲吶系統(tǒng)。本次掃測項目多波束采用船體井式固定安裝。

數(shù)據(jù)采集利用7K Control控制軟件與PDS2000數(shù)據(jù)采 集軟件相結(jié)合的方式進(jìn)行。采用7KControl控制軟件對各 個測量傳感器進(jìn)行控制；PDS2000數(shù)據(jù)采集軟件用于數(shù) 據(jù)采集以及數(shù)據(jù)顯示。掃測時，首先在PDS2000中建立掃 測項目。數(shù)據(jù)采集的具體過程如下。

（1）在新建掃測項目前要利用能夠控制到該測區(qū)范圍的 控制點計算出測區(qū)的七參數(shù)。

（2）在已有的測區(qū)范圍圖上用直線段取出范圍線并保存為dxf格式。

（3）新建掃測項目。

（4）插入7K控制軟件狗，打開7K控制軟件，選擇適合本次測區(qū)水深的400kHz頻率，以自動模式開始數(shù)據(jù)采集。

（5）打開PDS2000軟件點擊Realtime，顯示一些常見的便于操作者和測船駕駛員觀看的界面。掃測的平面圖和立 體圖分別如圖1所示。

2 多波束數(shù)據(jù)處理與成圖

2.1 數(shù)據(jù)處理

采用Caris軟件對PDS2000采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。具 體的操作過程如下。

（1）新建船型文件，船型文件的日期要在本次掃測開始前的某個日期，船型文件主要是用于把多波束系統(tǒng)指出各傳感器的空間參考位置以及各傳感器的安裝偏轉(zhuǎn)角；（2）新建工程，工程日期最好是測量當(dāng)天日期；（3）導(dǎo)入當(dāng)天所測的測線文件并打開新建的工程；（4）添加當(dāng)天所測區(qū)域內(nèi)的潮位文件和剖面聲速文件并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；（5）選中所導(dǎo)入的一條測線文件截取它的一條狹小的剖面在各個視圖下進(jìn)行條帶編輯，以便剔除跳點；（6）新建表單文件，表單文件可以新建多個，以便得到想要的某個區(qū)域內(nèi)的水深數(shù)據(jù)；（7）新建基礎(chǔ)曲面并刷新；（8）選一個狹小的剖面在平面和三維視圖下進(jìn)行分塊編輯，以便剔除跳點；（9）把一些非常小沒有掃測到的區(qū)域利用內(nèi)插的方法來獲得水深數(shù)據(jù)；（10）數(shù)據(jù)輸出，按照本次掃測的有關(guān)技術(shù)要求，輸出格網(wǎng)大小為1m的水下地形數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理的平面和三維成果圖分別如圖2所示。

2.2 制作成果圖

把輸出的數(shù)據(jù)用文本編輯器編輯成可以導(dǎo)入到Cass成 圖軟件中成圖的格式。在導(dǎo)入到Cass成圖軟件中成圖時高 程間距設(shè)為5m。具體的成圖過程如下。

（1）導(dǎo)出水下地形掃測數(shù)據(jù)，包含（格式說明：點號，北坐 標(biāo)，東坐標(biāo)，高程）。

（2）用專業(yè)成圖軟件（南方Cass7.0成圖軟件）調(diào)入測區(qū) 所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖形編輯和處理成圖；內(nèi)業(yè)成圖參照《規(guī) 范》編制。

3 成果質(zhì)量檢驗

為了檢驗多波束測深系統(tǒng)的掃測質(zhì)量，本工程又采用傳統(tǒng)的掃床方式進(jìn)行了質(zhì)量檢驗。

3.1 掃床方式

目前內(nèi)河航道整治硬式掃床方式多采用橫式和順式兩種。根據(jù)水位情況及本工程特點，本工程計劃采取大型工作船進(jìn)行橫式掃床。在前期水深測量確認(rèn)達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后進(jìn)行。具體以工程船作為掃床平臺，在桿上設(shè)置掃床架進(jìn)行橫式掃床。工程船由兩根主纜以及左右4根橫移鋼纜固定船位，通過左右橫移鋼纜的收放橫向移動船位，達(dá)到掃床目的。

3.2 掃床技術(shù)措施

為了確保掃桿下水深度、掃測范圍全覆蓋和掃床質(zhì)量，采取了如下的技術(shù)措施。

（1）掃床架采用豎桿、橫桿和斜支桿組裝。

（2）掃床架中部多增加一根橫加強(qiáng)桿，提高了入水部分掃架的整體強(qiáng)度。

（3）掃床底掃桿平行重疊一根和掃床架桿全焊接方式連接，防止掃桿因水流影響和拉繩受力變形。

（4）增加上游方向第二層提頭繩1根、左右拉繩4根，防止掃架左右擺動。

（5）為了保證掃床質(zhì)量，在掃床架橫掃桿上設(shè)置一根細(xì)鋼纜，用于檢測豎直掃桿的變形。

（6）隨時對掃測船左右側(cè)錨的走向進(jìn)行調(diào)整，使掃測船處于最佳掃測模式，確保掃床范圍全覆蓋和掃床安全。

4 精度評價與對比

4.1 掃測寬度及分辨率

目前我單位正在使用的SeaBat 7125型多波束系統(tǒng)，一 次發(fā)射512個聲波波束，等距模式下波束最大掃測角度為 140°。在水深30m的情況下，通過3～4次的反復(fù)掃測完全 能夠達(dá)到測點間距為3.6cm，這樣的測點密度完全能夠檢 測到水下細(xì)小的礁石，能夠非常詳細(xì)的反映施工區(qū)域水下 地形情況。

4.2 掃測水深精度

一次性的有效掃測寬度取決于掃桿的長度。掃桿在水流作用下會產(chǎn)生形變，入水深度越深，變形越大，有效掃測深度減少越多，各情況下有效入水深度減少情況，如表1所示。

SeaBat 7125型多波束測深系統(tǒng)的測量水深分辨率為6mm，并且配備有精密的姿態(tài)儀，能夠?qū)崟r獲取精確的姿態(tài)數(shù)據(jù)并對測深數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)改正，測深數(shù)據(jù)不受水流影響而發(fā)生偏差，能夠保證掃測的有效掃測深度。

4.3 作業(yè)效率

傳統(tǒng)的硬式掃床方式需要先進(jìn)行單波束水下地形測量進(jìn)行初步檢測，未發(fā)現(xiàn)淺點的情況下再進(jìn)行硬式掃床。而是掃床船通過控制纜繩的收放來進(jìn)行移動，移動緩慢，同時掃床過程中水位變化較大時，還需要根據(jù)水位情況調(diào)整掃桿的入水深度，硬式掃床的作業(yè)效率非常低。

采用多波束掃測系統(tǒng)不需要先進(jìn)行單波束水下地形測量，可以直接進(jìn)行掃床，船速只要保持在10km/h以下即可，施測過程中多波束系統(tǒng)測深數(shù)據(jù)根據(jù)GPS測量的水面高實時進(jìn)行水位補(bǔ)償。作業(yè)效率比硬式掃床有明顯提升。

4.4 效果展示

傳統(tǒng)的硬式掃床方式是通過查看掃床軌跡圖和掃桿情況來確認(rèn)施工效果，成果展示手段單一，直觀性不足。多波束測深系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)在施測過程中就可以實時顯示水下區(qū)域的地形情況，測量數(shù)據(jù)不僅可以制作平面的地形圖，還可以制作三維模型，展示的效果直觀豐富。

參考文獻(xiàn)

[1] 李素江，董江，裴文斌，等.RTK三維水深測量精度分析及試驗驗證[J].海洋測繪.2012（5）：33-36.

[2] 程波，蔡艷軍，蔣婷婷.多波束與RTK三維水深測量技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2018（4）：11-17.