基于多波束測(cè)深技術(shù)及監(jiān)測(cè)平臺(tái)在水生態(tài)建設(shè)中的研究

黎富忠

（廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，廣西南寧 530023）

0.概述

現(xiàn)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水下測(cè)深技術(shù)逐漸成熟。水下測(cè)深主要應(yīng)用于河流、湖泊、水庫、海岸、港灣等水域水下深度測(cè)量與水下地形測(cè)繪。測(cè)深儀器由以前的單波束測(cè)深系統(tǒng)轉(zhuǎn)為多波束測(cè)深系統(tǒng)。多波束測(cè)深是水聲技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成。多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種可以同時(shí)獲得船下方垂直主向的波束，及多個(gè)相鄰窄波束的回聲測(cè)深系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單波束測(cè)深系統(tǒng)每次測(cè)量只能獲得船垂直下方一個(gè)測(cè)量深度值相比，多波束探測(cè)能獲得一條帶覆蓋區(qū)域內(nèi)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的深度值，實(shí)現(xiàn)了從“點(diǎn)至線”測(cè)量到“線至面”測(cè)量的跨越，通過對(duì)數(shù)據(jù)的深入研究，可通過數(shù)據(jù)濾波、壓縮提取等技術(shù)的數(shù)據(jù)處理，提取水下地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可構(gòu)建水下DEM地形，構(gòu)建水下三維圖形。具有橫向覆蓋范圍大，波束窄，測(cè)量速度快、精度和效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于重點(diǎn)區(qū)域、大面積區(qū)域的高精度測(cè)量，也可以用于精確測(cè)定航行障礙物的位置、深度的測(cè)量。

1.研究?jī)?nèi)容

利用多波速測(cè)深技術(shù)在水生態(tài)建設(shè)中快速準(zhǔn)確采集水下地形數(shù)據(jù)，通過研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波等后處理的方法，分析數(shù)據(jù)類型，研究快速、可靠的數(shù)據(jù)濾波方法[1]，濾掉水下水中飄浮物、干擾物，提取水下地面數(shù)據(jù)，建立高精度的數(shù)字高程DEM和三維模型，可大幅提高水下地形測(cè)量的精度，大幅提高水下測(cè)量工作效率，快速構(gòu)建水下三維模型。同時(shí)，研究開發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下地形進(jìn)行周期監(jiān)測(cè)，對(duì)各周期的水下三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，統(tǒng)計(jì)水下地形變化量，并把水下三維地形模型與地面實(shí)景三維模型相結(jié)合，在該平臺(tái)上可顯示水上、水下全三維信息，可查看地形演變等，可監(jiān)視水下地物地貌的細(xì)微變化等。該技術(shù)在堤防安全、潰口、崩岸監(jiān)測(cè)及水下裂縫、物體打撈、采砂規(guī)劃治理、水下工程施工監(jiān)測(cè)、水底大壩結(jié)構(gòu)等方面具有其他方法不可替代的重要作用，為項(xiàng)目信息化提供更豐富更立體的三維成果，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供更科學(xué)依據(jù)，為水環(huán)境治理、水生態(tài)建設(shè)、河道演變研究、堤圍突發(fā)事件處置的應(yīng)急監(jiān)測(cè)、水庫信息化管理等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

2.數(shù)據(jù)采集處理及平臺(tái)建設(shè)

因多波束是現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)、高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)及其他相關(guān)高新技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成，我們從外業(yè)測(cè)量?jī)x器的安裝觀測(cè)、操作等測(cè)量過程始都進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保數(shù)據(jù)的高精度采集、濾波提取及變化量的分析。主要研究多波速測(cè)深系統(tǒng)的各參數(shù)校正，對(duì)影響到測(cè)深的定位時(shí)延、橫搖偏差、縱搖偏差和航向偏差進(jìn)行測(cè)定與校準(zhǔn)。經(jīng)過校準(zhǔn)，其綜合測(cè)深誤差滿足限差要求后，還應(yīng)在水深大于或等于測(cè)區(qū)內(nèi)的最大水深、水下地形平坦的水域采用單波束測(cè)深儀（測(cè)深精度已校準(zhǔn)且優(yōu)于規(guī)定精度）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行水深精度比對(duì)，水深比對(duì)不符值的點(diǎn)數(shù)不應(yīng)超過參加總比對(duì)點(diǎn)數(shù)的15%，比對(duì)不符值的限差按式計(jì)算或查多波束水深測(cè)量主、檢比對(duì)極限誤差圖。數(shù)據(jù)處理之前，應(yīng)先檢查數(shù)據(jù)處理軟件中設(shè)置的投影參數(shù)、橢球體參數(shù)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、各傳感器的位置偏移量、系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)結(jié)合多波束測(cè)深系統(tǒng)外業(yè)測(cè)量記錄，根據(jù)需要對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正、水位改正。應(yīng)對(duì)每條測(cè)深線的定位數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)分別進(jìn)行編輯。水深數(shù)據(jù)編輯時(shí)，應(yīng)根據(jù)水底地形、各波束測(cè)得的水深數(shù)據(jù)的質(zhì)量選擇合理的參數(shù)濾波，然后進(jìn)行人機(jī)交互處理。對(duì)于無法判斷的點(diǎn)，應(yīng)從作業(yè)水域、回波個(gè)數(shù)、信號(hào)質(zhì)量等方面進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)經(jīng)過編輯及各項(xiàng)改正后，再次對(duì)所有的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合檢查，根據(jù)各水深的傳播誤差及附近的水深利用表面模型進(jìn)行評(píng)估，剔除不合理水深數(shù)據(jù)，通過精度檢測(cè)，測(cè)量精度符合相關(guān)規(guī)范要求，然后用于后期的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)分析。

基于多波束測(cè)深技術(shù)測(cè)量水深，并把各周期采集及處理后的數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，基于B/S架構(gòu)開發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)加以導(dǎo)入分析、統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)演變及管理應(yīng)用等[2]，融合各種數(shù)據(jù)源進(jìn)行疊加多樣化顯示，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)記錄資料、監(jiān)測(cè)成果等信息入庫,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、分析、出圖等功能。B/S是Web興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，這種模式統(tǒng)一了客戶端，基于表現(xiàn)層、邏輯層、數(shù)據(jù)層三層架構(gòu),將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用?？蛻魴C(jī)上只要安裝一個(gè)瀏覽器，即可實(shí)現(xiàn)多客戶訪問、操作計(jì)算的目的，簡(jiǎn)化客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的成本和工作量。

3.技術(shù)路線及效果

根據(jù)研究目標(biāo)制定了以下工作流程及技術(shù)路線（如圖1），經(jīng)過外業(yè)測(cè)繪人員多周期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量采集數(shù)據(jù)對(duì)比，相對(duì)于單波束測(cè)深儀，多波束測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)密，能夠更精確地測(cè)出水下目標(biāo)物的大小、形狀和高低變化，繪制的等深線更詳細(xì)，也更真實(shí)地反映地形地貌特征。

圖1 技術(shù)路線圖

同時(shí)研究開發(fā)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)Web端多用戶訪問、外業(yè)測(cè)繪數(shù)據(jù)入庫、多周期數(shù)據(jù)對(duì)比、各周期水位變化、三維動(dòng)畫等功能，如圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)主界面圖

4.結(jié)語

通過對(duì)多波束測(cè)深技術(shù)的研究，顯著提高了工作效率，測(cè)深數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，水深數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中自動(dòng)生成水下地形圖、DEM、三維模型等，通過融合岸上實(shí)景三維模型等多數(shù)據(jù)源，建立工程可視化三維平臺(tái)，通過各周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，以三維動(dòng)畫方式演示歷史變遷效果，同時(shí)分析、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)變化量，實(shí)現(xiàn)水流和泥沙模型三維可視化，通過對(duì)河流、水庫等多周期的監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步加強(qiáng)水利規(guī)劃環(huán)評(píng)、水利綜合執(zhí)法、泥沙治理、邊坡穩(wěn)定分析、提升水利生態(tài)環(huán)境，為水生態(tài)建設(shè)提供決策依據(jù)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)將根據(jù)需要拓展、優(yōu)化完善各功能，為水利信息化建設(shè)添磚加瓦。