RESON SeaBat 7125 多波束測深系統在水下測量中的應用

湯小云 吳金才

【摘 要】本文結合在水下測量中的應用事例，用美國RESON公司生產的SeaBat 7125 多波束測深系統，在實際水下沉船、水下管道、跨江橋梁等工程中進行的水下掃床測量，簡要地論述了內業數據處理和三維DTM 模型的建立，為同類型水下地形測量提供指導依據。

【關鍵詞】水下掃床;多波束測深系統;三維DTM 模型

0 概述

在經濟高速發展的今天，水利運輸得到了很大的發展，這為水運航道的維護提出了更高更快的要求;實際生產中，會遇到水下沉船、跨江橋梁、水下管道、跨江橋梁等情況，這些都為高精度的水下測量提出了新的課題：必須精確確定水下河床的地形及水下物體的位置和姿態，結合用美國RESON公司生產的SeaBat7125多波束測深系統，在以上工程實踐中的實際應用，通過數據處理，建立三維DTM 模型，均較清晰的反應了水下物體的姿態，為應用者設計和做出判斷，提供了準確的依據。

1 多波束系統

1.1 多波束系統簡介

SeaBat7125多波束測深系統的工作原理是利用水下聲納單元發射和接收脈沖聲波，聲波被河床或水中物體反射，部分被探頭接收，由聲波在水中的傳播時間與聲速的乖積即可計算出水深。該系統由高分辨率聲納系統、聲速探頭、水下聲納傳感器、全套數據采集軟件包PDS2000組成;其中400kHz聲納傳感器每次可同時采集512個水深信號;最大發射開角165° ;最大ping率達50Hz（±1Hz） 。這樣，它對水下地形測量是以一種全覆蓋的方式進行，它測量的水下地形是一個面。SeaBat7125多波束測深系統由基本的系統、輔助設備、數據實時采集處理系統PDS200和數據后處理軟件包四部分組成。

1.2 SeaBat8125多波束測量系統設備組成

RESON SeaBat8125超高分辯率聚焦多波束測深系統的組成見圖1。

圖1

1.2.1 RESON SeaBat 7125多波束探頭

RESON SeaBat 7125多波束探頭是該多波束測深系統的主要設備之一。探頭為雙頻合一探頭（200kHz or 400kHz），頻率自由轉換 ，實際工作中，操作員可根據水深、測量精度要求及聲納信號質量情況，選擇控制菜單，調節測量范圍、發射功率以及自動增益的大小及方式等相關參數，以期達到最佳接收信號的效果。

1.2.2 光纖羅經（Gyro）和運動傳感器（MRU）

光纖羅經可精確測定載體的真方位角，且工作初始化時間較短，開機約五分鐘后就可正常工作，;由于多波束測量系統是一種高精度的測量模式，平面（GPS）及水深測量（多波束探頭）設備在水下動態測量時姿態隨時變化，這就需要運動傳感器（MRU），實時測量載體的各種運動姿態，并把信息傳送給多波束測量采集系統，用來改正采集的數據，歸算成船體在平穩狀態下的數據。本套SeaBat 7125多波束測量系統配置的光纖羅經Gyro和運動傳感器，合二為一體，它體積小，精度高。

1.2.3 GPS

多波束測量系統平面精確定位需要一套GPS全球定位系統設備。目前GPS差分定位有碼差分（RTCM、EDGPS、信標差分）和相位差分（RTK、LRK）兩種模式，作為多波束平面定位宜采用具有相位差分的GPS接收機為佳，結合測量單位具體情況，使用Leica SR1200雙頻GPS 的相位差分，一是可以提高多波束數據質量，二是局部范圍可以實現無驗潮水深測量。

1.2.4 聲速剖面儀

多波束作為聲納設備，由于聲波在水中介質中的傳播速度會隨著水中溫度、鹽度、壓力（深度）等條件的不同而變化，該系統配置一臺聲速剖面儀7125 SV2 ，安置在7125多波束探頭合適部位，測量中同步測量水體中的聲速剖面，傳送到數據實時采集處理系統PDS2000，實時用以精確改正多波束的測深值。

1.2.5 外業數據實時采集系統

該系統由計算機及PDS2000多波束數據采集和實時處理/可視化軟件包組合而成，軟件包是基于windows7.0 操作環境的水下地形外業測量軟件包，具有多種功能，是目前國際上較為完善的的水下測量軟件包。與各種外圍設備的連接（各種不同型號的聲納系統、羅經、姿態傳感器、定位GPS等），組成一個功能強大的測量系統，完成測線的設計，包括橢球參數的基面轉換，采集存儲各種測量數據，記錄測量設備的工作狀態，進行相關數據的處理及改正，提供各種導航信息，以多種方式實時顯示設備工作狀態及測量數據。

1.2.6 數據后處理軟件包

PDS2000和 Caris7.1 后處理軟件包，可以處理大量的測量數據，特別是多波束測量數據，實現數據的清理、剔除錯誤，并根據給定參數進行原始數據的改正，然后對數據進行計算、描述和制圖。該軟件包可以生成測深數據圖、等高線圖、三維數字模型（DTM）圖、自動生成斷面圖，根據自定義的基準面計算方量或二次測圖間的沖淤變化量。并能夠輸入輸出多種常用格式的測量成果。

1.3 SeaBat7125多波束測量系統主要設備的精度指標

Reson Seabet 7125 聲納系統

工作頻率：200kHz or 400kHz

測深分辨率 6 mm，在200kHz 最大ping率：50Hz（±1Hz）

發射波束寬：1°（±0.2°）在400kHz，2.2°（±0.5°） 在200kHz

接收波束寬：0.54°（±0.03°） at 400kHz，1.1°（±0.05°）

Octans光纖羅經和運動傳感器技術指標

①航向 穩態精度：±0.1 動態精度 ±0.2 分辯率±0.01

②縱搖/橫搖 動態精度：0.01

③升沉/橫擺/縱擺 精度：5cm

7125 SV2聲速剖面儀技術指標

量程：1400-1550m/s ?響應時間：<1ms

量程：-2 - +35 響應時間：<1.5s

Leica SR1200雙頻RTK GPS接收機

動態測量 水平精度過 10mm±1.0ppm

垂直精度 20mm±1.0ppm

點位更新速率：20HZ 點位輸出時延：<0.03s

1.4 多波束測深系統的優勢

1.4.1 與傳統的單波束水下測量方式對比

現在水下測量領域，動態GPS平面定位配合單波束測深儀的單波束測量方式得到了廣泛的應用，用單波束施測水下地形，是在待測水域內按照合適的斷面間距勻布設斷面，測量結束后，將斷面上的數據進行處理，得到分布均勻的測點和地形特征點，生成等值線采取直線插補的方法。其一，因采集的數據不夠多，特別是在相鄰的斷面間的地形特征點測量中被忽略，不能完全反映地形真實變化;其二，單波束測深儀的波束角一般在3°～8 °之間，對測量水深較深和地形變化較大的水域，單波束測深儀適時測量的水深本身就存在較大的誤差。這種方法在水下管道、跨江橋梁等精密工程測量中，單波束測深系統在使用上是有局限性的。

SeaBat 7125多波束測量系統的接受波束角最小達0.54°（±0.03°） ，并且以每秒1～50次（根據水深自動調整速率）的更新速率采集數據。這樣，它對水下地形測量是以一種全覆蓋的方式進行，它測量的水下地形是一個面，點位采集密度達每平方米為40～50點，這樣，在測量區域內，地形就能較真實的反映出來。

1.4.2 與早期多波束測量系統對比

早期多波束測量系統采用固定掃測角和垂直安裝模式進行水深測量，而SeaBat 7125多波束測量系統改進了固定掃測模式，它具有可變壓縮掃測角模式，及把正常模式下的135°或165° 掃測角，通過調節可以壓縮到合適的角度，來掃測重要水下目標，而掃測采集的水深信號仍然為512個，這樣就大大的提高了掃測精度;見圖2。另它還具有電子傾斜功能，在多波束探頭垂直安裝模式下，可以調節掃測方向傾斜-15° ～ +15°，這對一些掃測盲區（測量船不能到達的水域）具有重要意義，如碼頭、橋梁，航道邊坡水域，提高了作業效率;見圖3。 ? ? ? ? ? 圖 2

圖 3

綜上，RenSon SeaBat7125多波束測深系統在水下測量領域，精度和效率高，優勢明顯。

2 項目水下地形測量

2.1 多波束測量系統設備的安裝

2.1.1 SeaBat 7125探頭的安裝

SeaBat 7125聲納（聲納換能器）是這套系統的主要設備，一般采用固定安裝方式，在專用測量船軸線的中前部預挖一方形孔，將探頭（聲速剖面儀7125 SV2安裝在多波束探頭上）安裝在方形孔中，一般通過螺紋絲桿來固定聲納探頭，聲納頭與安裝絲桿連接使用螺釘固定，以便于升降和拆卸。

2.1.2 光纖羅經和運動傳感器的安裝

光纖羅經和運動傳感器安裝在測船中軸線前部位置（前艙后部），并與測船中軸線保持平行，使用螺栓固定在測船上，保證了設備的穩定。

2.1.3 GPS衛星接收天線的安裝

接收天線安裝在測船頂部中間部位，其GPS衛星接收天線上部沒有遮擋物，保證了接收衛星的數量，以提高平面定位的精度。

所有設備完裝完畢，定義船體中心位置（COG），量取各設備相對于該中心的三維坐標。各設備安裝位置參數輸入后，調用圖形顯示畫面，檢查參數輸入正確無誤。

2.2 Leica ?SR1200雙頻RTK GPS接收機參考臺架設和水位觀測點聯測

平面定位使用GPS相位差分方式，使用 Leica ?SR1200雙頻RTK GPS接收機作參考臺，參考臺架設于測區邊沿合適的平面控制網點上。

高程控制用于水位觀測，由等級水準點通過高程聯測，接測至水邊合適位置上，在測量過程中，每半小時在水位觀測點上進行水位觀測，讀數讀至厘米，供內業水深數據改正用。

2.3 參數設置

多波束測量系統在工作前，必須設置有關參數，用于設備的連接、修正安裝偏差、獲得所需要的導航測量信息及用戶坐標系統。

2.4 系統安裝參數校正（Patch Test）

由于多波束系統是一套多傳感器系統，它同時接收聲納探頭、RTK-GPS、羅經、姿態傳感器信號數據，系統校正的作用是對多信號接收源的數據同步性、安裝位置、安裝角度和偏差進行校正試驗，每次聲納探頭的重新安裝，都要進行系統安裝參數校正測量，通過專用軟件，計算出校正參數，把算好的校正參數輸入到系統中，用于改正實際測量中的數據;7125多波束測深系統的校正包括以下幾種：橫搖偏差——roll、縱搖偏差——pitch、艏搖偏差——yaw。

2.5 多波束系統測量

在多波束測深系統外業數據采集的軟件環境下，利用測區的GPS控制網（點）成果，先進行測區的WGS-84坐標系和1954年北京坐標系的轉換參數計算（三參數法@X、@Y、@Z）;再把待測區原有水下地形圖轉換成外業數據采集環境的導航背景圖，根據測區水深情況及作業要求，編輯測區的計劃測線，一般順水流方向布設。

使用多波束系統對待測區進行掃測數據采集工作，進入SeaBat7125多波束測量系統外業數據采集界面，分別打開各項數據顯示窗口，在測量過程中，監視各外圍設備的工作狀況、數據信號質量以及相關的測量信息，及時調整測船航向，控制聲納接收信號的各項參數。 實際測量中，在測區根據計劃測線、水深及測點的密度要求，測船按照設計的測線，對測區進行全覆蓋的測量;測量結束后，通過對已測區域進行簡單分析判斷，一般可以迅速找出水下有明顯特征地形的區域，外業測量時，對這些區域進行壓縮掃測角、電子傾斜等模式掃測，這樣可以保證外業采集到更多的數據。

2.6 內業制圖

多波束測深系統內業數據處理使用內業制圖軟件包為PDS2000和 Caris7.1 后處理軟件包，該軟件包可以處理超大量的水深測量數據，實現數據的清理、剔除錯誤，并根據給定參數進行原始數據的改正，內業處理軟件對每個波束經過各項改正后的水深數據，通過PDS2000軟件包經過水位改正，得到水深點的平面和高程數據，然后生成三維數字模型（DTM）圖。利用水深點的平面和高程數據，還可以形成等高線及水深注記，輸出多種常用格式的不同比例尺要求的測量成果。

3 應用實例

3.1 水下沉船掃測

在長江航道某處有一沉船，需對其進行掃床測量，確定沉船位置和沉船姿態，為制定相應處理方案提供依據。利用SeaBat 7125多波束測深系統，對區域按要求和前面的操作仔細測量后，再對沉船區域進行壓縮掃測，獲取更多的數據，經過對數據進行處理，然后生成三維數字模型（DTM）圖4：從三維數字模型（DTM）圖上，沉船船頭絞錨機和船尾駕駛頂棚依稀可見。

3.2 水下排污口掃測

某企業在長江岸線近岸水域有一排污口，受水流作用，該處水下地形有可能沖刷或淤積，為排污口的安全運行帶來隱患，必需對該排污口進行定期監測，了解它的實際狀況，判斷其運行情況。依據前面的方法，經過對數據進行處理，然后生成三維數字模型（DTM）圖如5。

從三維數字模型（DTM）圖上，排污口及護樁形態完好，運行基本正常。

圖 4

圖 5

3.3 跨江橋梁橋墩掃測

長江流域有多座跨江橋梁，為了橋梁的安全運行，需要對橋梁橋墩進行多波束掃測，利用SeaBat 7125多波束測深系統，對長江上某處跨江橋梁進行掃測，對全區域按要求和前面的操作仔細測量后（若橋面較寬或水深稍淺，常規多波束測量，在橋面下方會有些盲區），再在橋梁上游和下游各進行一條電子傾斜模式的掃測（各傾斜15°），力爭橋梁下方GPS盲區的河床和橋墩都全覆蓋，經過對數據進行處理，生成三維數字模型（DTM） 圖6。

圖6

從三維數字模型（DTM）圖上，橋墩的姿態基本可見。

4 小結

通過用RESON ?SeaBat 7125 多波束測深系統在水下沉船、水下管道、跨江橋梁等工程測量實踐中的應用，這種測量方法具有測點多、測量精度高、測區全覆蓋等優點，經過內業數據處理，測量成果多樣化，能滿足不同使用者的要求，在建立三維DTM 模型上，能較清楚地判斷出水下物體的姿態和水下河床的地貌特征，為相關使用者設計和做出判斷，提供了準確的依據。通過在這些工程實踐應用中得到了較好地驗證，為以后的同例水下地形測量提供了新的測量依據。

【參考文獻】

[1]GB/T18341-2001全球定位系統（GPS）測量規范[S].國家技術監督局，2001.

[2]周忠謨，易杰軍.GPS衛星測量原理與應用[M].北京：測繪出版社，1997.

[責任編輯：張濤]