多波束測深儀掃床技術試驗分析

謝黎黎

摘要：為探索先進高效的掃床方式，文章開展多波束測深儀測深替代硬式航道掃床的可行性研究，并進行多波束測深儀測深和硬式掃床對比試驗。試驗結果證明，多波束測量精度能滿足行業(yè)要求，且具備更高效率。

關鍵詞：多波束;掃床;試驗

0 引言

硬式掃床作為檢驗航道尺度的主要手段已沿用幾十年，該方法簡單有效，但相對落后低效，需配員較多，勞動強度大。為探索先進高效的掃床方式，充分利用現(xiàn)有設備，有必要進行航道掃床技術革新科研，為此從2017年起，南寧航道養(yǎng)護中心即著手開展對多波束測深儀測深替代硬式航道掃床可行性研究。

1 目標要求

航道掃床技術革新科研工作的目標要求為：

（1）選擇適合的航段進行硬式掃床檢驗，并與多波束測深儀測深檢測進行對比，要求分別在淺水區(qū)（4m以內(nèi)）、中水區(qū)（4～7m）及深水區(qū)（7m以上）進行三組試驗。每組試驗均要檢驗在硬式掃床發(fā)現(xiàn)0～20cm小區(qū)域淺點的情況下，多波束測深儀能否檢測發(fā)現(xiàn)，即多波束測深儀測深替代硬式掃床是否可行。

（2）研究成果要得出明確的結論，即是否可行及其依據(jù)。若可行，應提出其適用的條件，如適用水深情況、需配備的船舶類型、使用儀器型號、人員技術能力與數(shù)量、以及科研掃床的準確率和效率等。

2 工作準備情況

試驗初期，組織了多波束測深系統(tǒng)原理、儀器安裝調試校正、多波束測深軟件的應用和數(shù)據(jù)后處理軟件操作等培訓，使技術人員掌握了多波束各個部件的安裝，保證儀器能接通工作，各改正參數(shù)調試復核后，隨即著手開展多波束測深儀測深替代硬式航道掃床的可行性研究。

3 第一次試驗

2017年11月，技術人員在南寧航道站轄區(qū)進行第一次多波束測深儀測深和硬式掃床對比試驗。

硬式掃床前，把多波束所測水深圖成圖基準面換算到當天水位下的水深，以方便作對比。當天，采用的是局現(xiàn)有設備DT100進行測量，掃測測區(qū)選擇在南寧市豹子頭航道站轄區(qū)的郁江某航段，長度約600m，寬度約200m。根據(jù)測量船特性，采用倒L型平臺支架+鋼絲繩固定的形式，測量采用多波束懸掛安裝測量方式。

在試驗過程中，將多波束測深儀所測水深與單波束測深儀所測水深進行了對比，發(fā)現(xiàn)多波束測深儀所測水深普遍比單波束測深儀所測水深值大0.15～0.3m，不滿足《水運工程測量規(guī)范》（JTS-1312012）的要求。研究認為，出現(xiàn)該問題的原因主要是：（1）本套多波束測深儀測量系統(tǒng)自身誤差未完全調試好;（2）多波束測量時形成的是帶狀測量面，測量點偏離換能器中心，導致測量誤差逐漸增大。

完成水深對比后，我們對多波束測深儀測量和硬式掃床分別在淺水區(qū)（4m以內(nèi)）、中水區(qū)（4～7m）進行了對比，因航道條件受限，無法開展深水區(qū)（7m以上）試驗，其中淺水區(qū)和中水區(qū)情況如表1所示：

從對比結果看，在水深小于4m的淺水區(qū)，多波束測深儀所測水深最低值為2.7m，但掃床下桿深度為2.5m時，所掃區(qū)域均出現(xiàn)碰桿，下桿深度為2.6m時，碰桿現(xiàn)象更為嚴重，個別區(qū)域碰桿高度達到50cm。

在水深4～7m為中水區(qū)，多波束測深儀所測水深最低值為4.0m，掃床下桿深度為3.8m時，所掃區(qū)域多處碰桿，下桿深度為4.0m時，碰桿現(xiàn)象更為嚴重，個別區(qū)域碰桿高度達到40～50cm。

因此第一次試驗結果顯示：

（1）本套多波束測深儀DT100多波束測深系統(tǒng)在測深儀、GPS、聲速儀和姿態(tài)儀分別正確設置后方可使用，調試安裝和測量操作步驟繁瑣，測量過程采集的數(shù)據(jù)量大，對硬件要求高，且采集數(shù)據(jù)后的處理工作量極大（1h測量采集的數(shù)據(jù)，后處理時間需要3～6h左右）。

（2）在淺水區(qū)（4m以內(nèi)），多波束測深儀單條測線覆蓋范圍跟硬式掃床相當，且無法發(fā)現(xiàn)0～0.2m小區(qū)域淺點或者障礙物情況，掃床效果不理想。

（3）在中水區(qū)（4～7m），多波束測深儀覆蓋范圍比6m長單桿硬式掃床覆蓋范圍稍大，外業(yè)勞動強度比硬式掃床小。但其精度沒有硬式掃床精度高，無法發(fā)現(xiàn)0～0.2m甚至0～0.5m小區(qū)域淺點或者障礙物情況，無法滿足航道掃床標準的要求。

4 第二次試驗

因第一次試驗結果不理想，且缺少對深水區(qū)的研究，認為缺乏足夠的數(shù)據(jù)來證實多波束測深儀測深不能替代硬式航道掃床的觀點，為了對多波束技術進行更多的深入研究，2018年8月，南寧航道養(yǎng)護中心協(xié)同北京麥格天[HTXH1]渱科技發(fā)展有限公司共同研究海卓MS400型號多波束測深儀;11月再次與廣州南方測繪科技股份有限公司合作，使用RESONT20P多波束航道掃測系統(tǒng)，同時也研究現(xiàn)有DT100多波束測深儀以作對比。對比結果如表2所示。

掃測測區(qū)選擇在南寧市隆安縣境內(nèi)的右江某航段，長度約540m，寬度約160m。采用倒L型平臺支架+鋼絲繩固定的形式，采用多波束懸掛安裝測量方式。

為驗證多波束測深系統(tǒng)的精度問題，測試現(xiàn)場采用高精度改正過的單波束測深儀測水深，對多波束和經(jīng)過嚴格校正后的單波束測深儀所測的水深值，分別在4m以內(nèi)、4～7m、7m以上的水深區(qū)域抽取位置重疊或位置相對靠近的多個水深點進行對比。在試驗過程中，根據(jù)需要展現(xiàn)了水下地形的等高線情況，以便更直觀地查看水深分布情況。

在本次測量區(qū)域范圍內(nèi)，一次全覆蓋掃床時間少于2h，相比至少需要4h的硬式掃床，大大提高了效率。

經(jīng)多次測量，試驗結束后對測量結果數(shù)據(jù)進行后處理，對比結果如表3所示：

根據(jù)《水運工程測量規(guī)范》（JTS-1312012）8.6.4，掃獲的淺點或障礙物平面位置偏差≤0.15m、深度誤差≤0.1m的要求，從三個水深分層區(qū)域（4m以內(nèi)、4～7m、7m以上）水深數(shù)據(jù)對比來看，三組儀器均滿足要求，但DT100精度稍差，其他兩個型號的多波束測深儀精度較好。

因此第二次試驗結果顯示：

（1）從三個不同型號的多波束測深儀技術參數(shù)可知，多波束適用水深一般為0.5m水深以上。（DT100測深范圍0.5～60m，海卓MS400測深范圍0.2～150m，南方測繪的RESONT20P測深范圍0.5～575m）

（2）水深越深，多波束測深儀測深替代硬式航道掃床效率越高。在5m以上的水深區(qū)域，多波束測水深效率比傳統(tǒng)的硬式掃床好;在3～5m水深區(qū)域，多波束測水深效率與傳統(tǒng)的硬式掃床效果相當;在3m以下的淺水區(qū)，多波束測水深效率比較低，甚至不如傳統(tǒng)的硬式掃床。

（3）多波束測深儀不受氣象條件限制，一般行駛穩(wěn)定、轉向靈活、轉彎半徑小的中小型船舶（除玻璃鋼船舶外）都能滿足要求。

（4）若在掃床過程中未發(fā)現(xiàn)淺點，則無需進行數(shù)據(jù)處理，多波束測深儀能大大提高效率，若發(fā)現(xiàn)淺點，則數(shù)據(jù)后處理較繁瑣，對技術人員素質要求比較高。

5 結語

此次航道掃床技術革新科研工作是成功的，多波束測深儀能檢測發(fā)現(xiàn)在硬式掃床中發(fā)現(xiàn)的0～20cm小區(qū)域淺點或障礙物，即多波束測深儀測深替代硬式掃床是可行的。在試驗過程中，我們總結了多波束測深儀的優(yōu)點如下：

（1）多波束測深系統(tǒng)使用便捷，具備更高的安全性;

（2）多波束可以達到水域范圍全覆蓋，一條測線橫向覆蓋范圍基本能達到水深的兩倍，特別是對于深水環(huán)境，多波束外業(yè)測量效率高;

（3）多波束的測量精度滿足行業(yè)相關規(guī)范的精度要求。

但同時也存在以下缺點：

（1）多波束測量過程采集的數(shù)據(jù)巨大，數(shù)據(jù)后處理工作量極大;

（2）數(shù)據(jù)后處理比較繁瑣，對技術人員素質要求比較高。

因此，南寧航道養(yǎng)護中心目前正在著手研究，在掃床過程中若出現(xiàn)淺點能在顯示器上以紅色顯示并圈定范圍，同時發(fā)出報警聲音，便于現(xiàn)場工作人員能調出淺區(qū)測量值，避免進行重復工作。

多波束測深儀已在沿海一帶廣泛應用，在長江航道等80多個典型水域得到了實際運用，產(chǎn)品的性能目標、測量精度可靠性和允許穩(wěn)定性得到了廣泛的驗證。此次航道掃床技術革新科研工作是進一步研究和探索新形勢下航道尺度的檢驗模式和工作模式，今后將不斷開展研究工作，為能更好地為航道事業(yè)提供優(yōu)質服務打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]JTS131-2012，水運工程測量規(guī)范[S].

[2]JT/T790-2010，多波束測深系統(tǒng)測量技術要求[S].