多波束在瓊州海峽跨海工程水下地形測量中的應用

張建軍 樊 云 李劍坤

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050;2.長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌 443000)

瓊州海峽位于廣東省雷州半島和海南島之間，西接北部灣，東連南海北部，呈東西向延伸，海峽東西長約80 km，南北平均寬度為29.5 km。瓊州海峽跨海工程是連接海南與內地之間的運輸通道，此項目跨海長度約23 km，中間無過渡小島，水深，地質條件復雜。為了給通道設計以及海床演變分析、通航論證、海域使用論證、環境保護評價、潮流數學模型專題等研究提供水下地形基礎資料，需進行跨海通道附近大范圍、大比例尺水下地形測量。本文簡單闡述無驗潮模式下多波束水下地形測量的基本原理，并結合瓊州海峽跨海工程應用說明該模式的實施步驟。

1 GPS RTK定位技術

常規工程水下地形測量采用交會法或極坐標法確定水面測點的平面位置，這種方法受限于觀測條件，費力費時，作業效率低，測繪成果精度較低。隨著GPS RTK定位技術的不斷成熟和發展，利用這種技術手段，通過對測量點定位結果進行實時改正，可計算出載體測量船在航行過程中的精確三維坐標，實現水面測量點的數據采集，并通過導航軟件以圖形和數字的方式顯示測量船的各種導航信息。

2 多波束無驗潮水下地形測量原理

海底工程地形測量需測量海底平面位置和高程，而海底高程測量是通過水面高程和水深測量來實現的。GPSRTK技術能實時提供水面測點的三維大地坐標，水面測點通過高程異常實時改正，可求得測點高精度瞬時高程值。在多波束測深儀問世前，水深通過回聲測深儀、鉛錘或測深桿等手段獲取，此類方法是單點水深測量;而多波束測深系統是對測區內一定范圍進行無遺漏掃測，能同時、快速、精確測出沿航線一定寬度內上百個水下測點的水深數據，其測深原理如圖1所示。

圖1 多波束測深原理

3 實例

瓊州海峽跨海通道多波束水下地形測量的作業系統主要由Trimble R8 GNSS雙頻接收機、SeaBat 8101多波束測深系統、計算機數據通信鏈及Hypack專業軟件等組成。由于水域測量范圍將近500 km2，項目實施前，必須進行周密細致的布置，制定切實可行的質量保證措施。

3.1 資料準備

利用測區已有成果資料，包括坐標系統、控制點、既有水下地形圖、水文等資料，分析、計算測區范圍內必要的技術參數，完成的主要工作如下。

高程異常模型的建立:在測區兩岸各收集了兩個高等級的平高控制點，分別位于測區附近。由于測區范圍大，項目采用分段式作業模式，在測區兩岸各均勻增設4個C級平面控制點，同時進行三等水準聯測，使用TGO軟件計算測區高程異常值參數;用10 cm的等高距，建立測區等高程異常分布圖和高程異常模型文件。

測深線布設:測深線包括主測深線和檢查線兩部分。主測線布設主要考慮測線的間隔和測線方向，要求線間數據重復率大于20%。檢查線基本按垂直主測線方向，其工作量按主測線總量10%的比例布設。

3.2 系統安裝

船體獨立坐標系的建立:為了確定波束的空間關系和波束腳印的空間關系，需建立船體獨立坐標系，其原點位于換能器的中心位置，x軸指向船的航向，z軸垂直向下，y軸指向側向，與 x、z軸構成右手正交坐標系。

設備安裝:多波束測深系統中配置了高精度的運動傳感器和光纖羅經，安裝光纖羅經時箭頭方向應與測船航行軸線相同并保持平行，其他設備按照其對外部環境要求，安置在安全、方便、穩定、可靠的位置上。

3.3 系統校準

多波束換能器、傳感器、GPS天線等安裝完成后，必須精確測定它們之間的相互關系，并輸入到多波束采集軟件中。

SeaBat 8101多波束系統能同時接受多波束、GPS、GYRO、MRU四種信息，各傳感器的時間同步性、安裝的位置、角度等對測量成果精度均產生影響，需要對這些偏差進行校準。通過采集一系列特定測線的數據，經處理后得到系統的延遲、縱偏、橫偏等校正參數。

聲速改正:采用SVPLS型號聲速剖面儀，作業期在測區進行聲速采集，獲取從海水表面至海底的溫度和聲速數據，并對比儀測水深與錘測水深，對測量深度成果進行改正。

3.4 數據采集

多波束系統設備安裝和調試完成，并在分段測區進行了必要的校準，便可進入系統的人機對話界面進行數據采集測量，主要完成以下的操作:

①為測區定義測量名稱，選擇坐標系統及投影方式;

②設置各數據接口的參數;

③輸入各傳感器的相對坐標和各項校準值;

④輸入測線號;

⑤開始多波束發射并選擇記錄。

在數據采集時，需通過計算機窗口界面對掃測數據進行監視，主要的內容如下:

①以數字和圖形兩種方式顯示條帶覆蓋寬度，監視相鄰條帶的寬度變化，達到全面覆蓋的目的;

②調控波束信號增益和功率，保證波束質量良好;

③顯示每個發射脈沖的水深橫剖面，對比中央波束和邊緣波束的水深變化，檢測聲速剖面改正的有效性;

④顯示水深瀑布圖，可以立刻知道水底是否有障礙物。

每天外業測量結束后，應再次現場核對多波束測深系統的關鍵參數設置，及時將外業原始數據轉換成內業數據處理軟件包能使用的數據格式。

3.5 數據處理

對實時采集的多波束數據進行編輯，剔除或改正定位數據中的突跳點、航向異常點后，使用CARIS軟件對多波束水深數據進行分析、濾波、數據回放、聲速改正、清除不合格數據等精處理，采取10 m×10 m網格抽稀，生成測區三維坐標數據，輸出測區海底數字地形文件。

3.6 精度評估

為了評估多波束本身以及各傳感器安裝、校準、水位改正、聲速改正等對測量結果的綜合影響，本次外業掃測成果質量以檢查線與主測線交叉點進行質量評估，實測檢查線48條，主測線共470條，利用兩線相同區域內共489 880點的三維數據，通過Hypack軟件計算，檢查線與主測線測量成果的算術平均偏差為0.19 m(標準偏差為±0.59 m)，滿足技術設計方案的要求。

4 結束語

以瓊州海峽跨海通道工程水下地形測量項目為應用實例，分析了大面積海域無驗潮模式下多波束水下地形測量具體實施的步驟和經驗。海域中的工程水下地形測量項目具有測區范圍廣、工作環境復雜等特點，對測量儀器設備，工作實施管理，現場測量技術人員專業知識、經驗及數據后處理等方面要求極高，在實際應用中需不斷摸索、總結，充分發揮多波束測深系統的優越性。

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