GeoSwath條帶測深系統的作業經驗

郭雁軍，關鵬舉，王棟

(1.洛陽規劃建筑設計有限公司第一地理信息測繪院，河南洛陽 471000；2.開封市規劃勘測設計研究院，河南開封 475001)

GeoSwath條帶測深系統的作業經驗

郭雁軍1?，關鵬舉1，王棟2

(1.洛陽規劃建筑設計有限公司第一地理信息測繪院，河南洛陽 471000；2.開封市規劃勘測設計研究院，河南開封 475001)

介紹了GeoSwath條帶測深系統工作原理以及技術指標和該設備的安裝與校核。以“三條測線法”為例，探討了各種誤差的來源及校準方法。具體通過對時間延遲、偏航、橫搖、縱搖以及動態吃水的誤差分析來探討GeoSwath條帶測深系統的誤差產生的根源和控制誤差的方法。結合在小浪底水庫水下地形測量中的具體操作，總結了作業經驗及GeoSwath條帶測深系統的優缺點。

GeoSwath條帶測深系統；誤差分析；校準；經驗

1 GeoSwath條帶測深系統簡介

1.1 系統概述

GeoSwath條帶測深儀由英國GeoAcoustics公司生產，其核心為相干聲吶測深技術，它是一種基于PC計算機的淺水多波束條帶測量系統，提供了10倍的水深、最大到600 m覆蓋。通過入水的V型換能器向左右兩側發射多個極窄的扇形聲學波束(見圖1)，在有效的范圍內聲波遇水底反射被換能器接收，此過程可轉化為距離和角度值，回波的相位差也就被記錄下來，各種聲波經改正后可以轉化成河底測點的垂直深度和橫向距離。在這一時刻，同一剖面上的河底深度分布就能顯示出來，再經過測船的運動，就能獲得此航線上河底的三維變化情況。GeoSwath能記錄每條航線上河底的高低起伏位置，顧名思義稱之為“條帶”，并且所測的軌跡圖像能按照比例實時顯示在電腦屏幕上，內業通過軟件對相鄰條帶邊沿的重疊部分加以擬合，最終可形成完整的水下三維地形圖。

圖1 V型換能器

1.2 系統流程圖

GeoSwath條帶測深系統軟件的核心是主機，它與Windows操作系統集合在一起，在工作狀態時顯示器能實時顯示水下地形，并同步接收各種硬件數據。具體流程如圖2所示。

圖2 系統流程圖

1.3 系統設備組裝

V型換能器應安裝在測船的中部側面，因其在水下受阻力較大，須在測船上焊接支架增加其穩定性和安全性。

GPS－RTK坐標和TSS(電羅經)提供的測船的航向數據都是通過串口數據線傳輸至系統主機，這兩種外接設備都安放在船艙內。

MRU(姿態傳感器)和中心單波束則是直接安裝在V型換能器上，一起進入水下工作，以便同步傳送三維姿態和對數據進行質量控制，以完善系統的可靠性。

測船上需提供24V直流電和220V交流電，為避免意外斷電，建議增配UPS電源。

1.4 系統性能

GeoSwath條帶測深系統具體性能如表1所示。

系統性能表 表1

2 系統的校準

GeoSwath條帶測深儀是由多個傳感器組成的發射接收呈扇形波束的復雜測深系統，而且在水上作業受外界條件影響很大，因此其測量誤差具有多來源的特點，為保證測量的精度和可靠性，在作業前要進行誤差分析和校準。

2.1 摩擦測試

在換能器入水前，啟動系統可用手分別在換能器的左右兩個發射板上快速摩擦，觀察顯示器上傳輸的圖像信號，由此來判斷安裝是否正確。

2.2 靜態吃水

靜態吃水誤差直接影響測量精度，可在V型換能器入水后，待水面平靜時用鋼尺測量吃水深度，并在與水面相切處做上標記，以便下次核準。

2.3 系統誤差分析

對于每次新的安裝，外界硬件設備的關聯總會或多或少的改變，為保證測量數據的精度，要進行校準，現總結如下，如圖3所示。

圖3 系統誤差及校準方法

(1)時間延遲

當用時間標記水深和位置值時，這是測量數據歷經測深儀、導航設備之間的電子延遲。同步的時間系統應保持一致性，根據以往校準結果，時間延遲誤差改正數應為大約在0 s～1 s。在小浪底庫區測驗的經驗值是0.37 s。

(2)偏航

電羅經的安裝方向與水下的V型換能器不平行(見圖4)，就出現了航向的偏差。此項誤差不僅影響平面坐標，而且在傾斜的水底還會影響水深數據。因此在電羅經安裝時應把夾角控制在10°以內，并長期固定在船艙的甲板上，通過校準后此項誤差可被抵消。

圖4 偏航示意圖(俯視)

(3)橫搖和縱搖

由于測船受風浪影響晃動較大，導致測量時的相臨“條帶”銜接處的數據差別很大。原因在于姿態傳感器在測船往、返測時“條帶”邊沿重疊的公共部分所提供的三維姿態不相同，影響最終的擬合精度。測船的左右晃動稱為橫搖，船頭船尾的傾斜稱為縱搖。如圖5、圖6所示。

圖5 橫搖示意圖(后視圖)

圖6 縱搖示意圖(側視圖)

(4)動態吃水

動態吃水也稱為升沉偏移，它直接影響測深結果。由于測船在水面上航行，吃水深度是隨水面波峰波谷的變化而變化，通過校準可得出V型換能器的升沉量的改正數。以上4種常見的誤差都可通過“三條測線法”來得出改正數。

2.4 校準方法

“三條測線法”是指在水上的一定區域(要求河底要有地形變化)，測量3條特征的測量線。測線長度控制在500 m以內，V型換能器左右兩個發射板所發射和接收的聲波數據分別稱為“左舷”和“右舷”，左、右舷的發射寬度都控制在100 m。利用第二條返測的右舷軌跡完全壓蓋第一條往測的右舷軌跡，即測量數據重合50%，同樣第三條測線依次仿照(如圖7所示)。

采集數據后通過 “GeoSwath Calibrator”校準軟件處理，把得出的改正參數輸入到系統主機中參與擬合計算，最終形成精確的DTM數字三維地形圖。

圖7 “三條測線”示意圖(俯視圖)

3 實際使用中的經驗

通過在小浪底庫區的長期使用，總結出以下測量經驗:

(1)V型換能器和電羅經的擺放位置要固定，否則校準參數將無效；

(2)測船應勻速行駛，速度控制在 8 km/h～12 km/h之間；

(3)數據采集時不應使用倒車，在大角度急轉彎時可暫停記錄，待直行后再將缺少處補測上；

(4)根據水深不同，測量寬度范圍也應及時調整，左、右舷的發射寬度設置在6倍～8倍水深之間；

(5)由于黃河泥沙淤積嚴重，可適當調整脈寬和功率。底質疏松，脈寬應寬，水深愈深，功率應愈大。

(6)相臨條帶的重疊是關鍵的問題。對任何測量，都應測量整個區域，不留缺口，對于小浪底庫區來說，相臨條帶之間25%的覆蓋是可行的，35%～75%之間的覆蓋，會生成更好的結果。

4 結 論

傳統的水庫水下地形測量，一般均采用斷面法進行，其根本原因在于觀測儀器一個周期只能采集一個水深數據。如采用地形法觀測，費時費力，因觀測成本太高而難以付諸實施。

GeoSwath條帶測深儀的引進，一方面降低了庫區水下地形的成本，另一方面使大型水庫采用地形法測量變為可能，意義深遠，同時為水庫數字化管理奠定了基礎。通過引進先進的測量儀器，應用先進的測繪科學技術對水庫水下淤積地形測量，累積泥沙淤積的基本資料，研究沖淤規律，為今后水庫的調度運用提供科學、可靠的依據。

條帶測深系統是一種技術先進的測深儀器，由于是條帶掃描測量，覆蓋了所有測量的范圍，采集點的密度增加，大大提高了水上測量的精度，也增強了地形圖的可靠性。但此系統硬件多，不易便攜，每安裝一次均要進行校準，較為麻煩，且只適合大型測船和寬廣水域上的使用，許多經驗教訓及作業方法還有待在以后的測量作業實踐中總結和改善。

[1] 劉樹東.GEOSWATH條帶測深系統精度分析[J].中國港灣建設，2006，141

[2] 趙建虎.現代海洋測繪[M].武漢:武漢大學出版社，2008

[3] 潘正風，楊正堯，程效軍等.數字測圖原理與方法[M].武漢:武漢大學出版社，2004

[4] 王耀南.計算智能信息處理技術及其應用[M].長沙:湖南大學出版社，1999

[5] 張鳳舉，王寶山.GPS定位技術[M].北京:煤炭工業出版社，1997

The Working Experience of GeoSwath Testing Depth System

Guo Yanjun1，Guan Pengju1，Wang Dong2
(1.Planning and Architectural Design Co.，Ltd.Luoyang No.1 Department of Measurement and Drawing Geographic Information，Luoyang，Henan Province，471000，China； 2.Kaifeng Planning Survey and Design Institute，Kaifeng 475001，China)

The working principle and technology indicators of GeoSwath testing depth system principle and the machine of installation and adjustment were introduction.The various sources of error and calibration were discussed through the example“three line”.The cause and control method of error of GeoSwath testing depth system were investigated specifically through latency，yaw，roll，pitch and dynamic heave.Combined with the specific operations of Xiaolangdi Reservoir underwater topographic survey and measurement，the working experience，strengths and weaknesses of GeoSwath testing depth system were summarized.

GeoSwath testing depth system；Error Analysis；Adjustment；Experience

2011—01—13

郭雁軍(1981—)，男，助理工程師，主要從事城市測繪及水下地形測量工作。

1672－8262(2011)05－126－03

P217

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