川江航道多波束測(cè)量技術(shù)研究

汪劍橋

摘 要：本文基于筆者多年從事航道測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以SEABAT8101多波束測(cè)深系統(tǒng)在川江航道測(cè)量中的應(yīng)用為研究對(duì)象，論文首先分析了多波束測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而探討了多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝測(cè)試方法，定位導(dǎo)航實(shí)施方法，及測(cè)量步驟與數(shù)據(jù)處理思路，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：多波束測(cè)深系統(tǒng) 航道 數(shù)據(jù)處理 導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：U612 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（a）-0040-02

多波束測(cè)深系統(tǒng)以其全覆蓋、無遺漏的測(cè)量方式，能完成全覆蓋水深測(cè)量、航行障礙物探測(cè)，在效率、精度、分辨率與水下地形成圖質(zhì)量上有了大幅度提高，整個(gè)系統(tǒng)從外業(yè)到內(nèi)業(yè)全過程真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化，徹底改變了傳統(tǒng)的水下測(cè)量技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 多波束測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

與單波束相比，多波束具有無可比擬的先進(jìn)性。主要體現(xiàn)在：（1）測(cè)量以帶狀方式進(jìn)行，波束連續(xù)發(fā)射和接收，測(cè)量覆蓋程度高，對(duì)水下地形可100%覆蓋，與單波束比較，波束角窄，對(duì)細(xì)微地形的變化都能完全反映出來，單波束是點(diǎn)、線的反映，而多波束則是面上的整體反映。（2）多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量成果更真實(shí)可靠。由于是全覆蓋，其大量的水深點(diǎn)數(shù)據(jù)使等值線生成真實(shí)可靠，而單波束是將斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行摘錄成圖以插補(bǔ)方式生成等值線，在數(shù)據(jù)采集不夠時(shí)，使得等值線存在一定偏差。（3）多波束測(cè)深系統(tǒng)同步記錄船體姿態(tài)信息，起伏、縱搖、橫搖、船向等，由專用后處理軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正后，可使測(cè)量結(jié)果受外界不利因素影響減少到最低限度。（4）多波束測(cè)深系統(tǒng)能對(duì)測(cè)量資料進(jìn)行多種成圖處理，可生成等值線圖、三維立體圖、彩色圖像、剖面圖等，同時(shí)還能對(duì)同一測(cè)區(qū)不同測(cè)次進(jìn)行比較以及土方計(jì)算等。（5）多波束測(cè)深系統(tǒng)可對(duì)同一測(cè)區(qū)生成不同比例尺的水下地形圖，以滿足不同的需要。

隨著長(zhǎng)江數(shù)字航道、智能航道的建設(shè)，電子航道圖的更新需求，對(duì)航道測(cè)量的需求也提出了實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化的要求。目前長(zhǎng)江航道測(cè)繪部門需要完成以下測(cè)繪任務(wù)：（1）數(shù)字航道建設(shè)，電子航道圖測(cè)繪；（2）水下航道整治建筑物的監(jiān)測(cè)和水毀情況的探測(cè)；（3）搜尋水下物體，如沉船位置探測(cè)，疏浚作業(yè)可疑物排除；（4）清淤施工區(qū)水下地貌信息采集；（5）用于航道科研目的的水文測(cè)量、水深調(diào)查；（6）航路改革、新辟航道的掃測(cè)等。

測(cè)量技術(shù)的提高，關(guān)鍵在配置先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備。鑒于多波束測(cè)深系統(tǒng)是目前國內(nèi)外水上測(cè)量最先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備，對(duì)數(shù)字航道和智能航道建設(shè)具有重要的推進(jìn)作用。因此，在長(zhǎng)江沿線各航道測(cè)繪單位合理配備多波束測(cè)深系統(tǒng)，用于電子航道圖數(shù)據(jù)的更新、數(shù)字航道建設(shè)，適應(yīng)長(zhǎng)江航道建設(shè)發(fā)展、航道維護(hù)管理的需要是十分必要的。

2 工程概況

宜賓合江門（長(zhǎng)江上游航道里程1044.0 km）至宜昌港務(wù)集團(tuán)辦公大樓（原九碼頭長(zhǎng)江上游航道里程0.0 km，中游里程626.0 km）為上游航道，習(xí)稱川江，長(zhǎng)1044.0 km，屬山區(qū)河流，多為石質(zhì)河床，天然狀態(tài)下，航道彎曲狹窄，灘多流急，流態(tài)紊亂，三峽工程蓄水后，部分河段航道條件得到改善。目前，宜賓合江門至江津紅花磧?yōu)樯絽^(qū)天然航道；江津紅花磧至重慶豐都為山區(qū)變動(dòng)回水區(qū)航道；重慶豐都至三峽大壩為山區(qū)常年庫區(qū)航道。三峽成庫后，為了進(jìn)一步充分利用蓄水期和天然航道水深資源，分析航道淤變情況，為航道設(shè)計(jì)、決策提供第一手測(cè)繪資料。

3 多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝測(cè)試

本工程中投入丹麥RESON 7125多波束系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量實(shí)施。該系統(tǒng)在引進(jìn)后就一直都是安裝在固定的測(cè)量船的固定位置上，所以系統(tǒng)進(jìn)行使用都是整體工作的。

多波束測(cè)深系統(tǒng)的各部分，按設(shè)計(jì)位置進(jìn)行安裝，SF3050接收機(jī)天線，多束換能器、運(yùn)動(dòng)傳感器（DMS-05）、電羅經(jīng)等相對(duì)船體坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置關(guān)系。量測(cè)各傳感器相對(duì)船體坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移量，以便在數(shù)據(jù)處理進(jìn)行相應(yīng)的改正。

3.1 電羅經(jīng)傳感器的安裝

電羅經(jīng)的安裝位置有著嚴(yán)格的要求，電羅經(jīng)傳感器應(yīng)安裝在船舶中心附近，電羅經(jīng)指示方向應(yīng)與船首方向一致，并且要求在船體坐標(biāo)系的水平面內(nèi)。安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離導(dǎo)磁物質(zhì)或易被磁化的物質(zhì)；電羅經(jīng)與較大的鐵性物體、強(qiáng)電流的電線及電池組至少保持1.3～1.5 m的距離；一些電子設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、電視顯示器、雷達(dá)磁控管、擴(kuò)音器、UPS不間斷電源裝置等）的使用會(huì)影響電羅經(jīng)的正常工作，使其測(cè)出的方向數(shù)據(jù)失真或干憂，應(yīng)遠(yuǎn)離它們。

3.2 運(yùn)動(dòng)傳感器的安裝

OCTANS光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器（法國iXSEA公司）OCTANS集羅經(jīng)、運(yùn)動(dòng)傳感器于一體，運(yùn)動(dòng)傳感器應(yīng)固定安裝，并盡可能與水平面平行；運(yùn)動(dòng)傳感器離船舶重心的越遠(yuǎn)，船舶縱橫傾幅度越大，產(chǎn)生的測(cè)量誤差也越大，所以安裝位置應(yīng)在船舶的重心或盡可能靠近重心；運(yùn)動(dòng)傳感器的安裝具有方向性，其罩殼上的指示方向應(yīng)與船艏方向一致，否則將產(chǎn)生反向改正，造成嚴(yán)重誤差。

3.3 多波束換能器的安裝

多波束換能器的安裝主要取決于船型和船的結(jié)構(gòu)。同時(shí)還應(yīng)考慮多波束測(cè)深系統(tǒng)使用的水域，如在內(nèi)河測(cè)量，因受風(fēng)浪的程度較小，可以安裝在船首，而在潮汐河口或近海水域，因受風(fēng)浪的程度較大，宜采用船底固定安裝。安裝時(shí)要注意固定好，以免測(cè)量換能器產(chǎn)生抖動(dòng)，下沉。此外，還考慮換能器的安全性，以免在靠離碼頭碰撞損壞，建議安裝的換能器，還具有可拆卸或可移動(dòng)的功能。

3.4 星站差分SF3050接收機(jī)天線的安裝

SF3050接收機(jī)天線應(yīng)安裝在船舶高處（低于避雷針），視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不能超過10°；盡可能遠(yuǎn)離船舶主桅桿；盡量遠(yuǎn)離大功率的無線電發(fā)射信號(hào)源（如雷達(dá)、高頻電話天線等）；天線安裝要穩(wěn)固，避免船舶姿態(tài)變化使其產(chǎn)生位移；天線位置應(yīng)選擇遠(yuǎn)離船體大型金屬物體結(jié)構(gòu)，距甲板高度至少在1.5 m以上，減少信號(hào)多路徑效應(yīng)。系統(tǒng)安裝后，應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試可分為通電測(cè)試和航行測(cè)試。通電測(cè)試：在靜態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行，檢查系統(tǒng)各部分電纜連接是否良好牢靠，正確無誤；檢查接地是否正確，牢靠；檢查供電電源輸出電壓是否正常，直流供電的極性是否正確無誤，一切正常后，開始目測(cè)系統(tǒng)各部分的通電運(yùn)行狀況、信號(hào)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的通信情況。航行測(cè)試：要選擇適宜水域設(shè)測(cè)多條往返重復(fù)測(cè)線進(jìn)行橫傾、縱傾、定位延遲、電羅經(jīng)偏差等系統(tǒng)參數(shù)改正。此外，在測(cè)試過程中還要檢查、測(cè)試DGPS接收機(jī)、聲速剖面儀、電羅徑等是否工作正常。

目前，上述各測(cè)試項(xiàng)目不僅僅是安裝測(cè)試的要求，而且已列為每個(gè)航次或承接新測(cè)量項(xiàng)目之前，必須要做的工作。

（1）電羅經(jīng)的測(cè)試與校準(zhǔn)。

電羅經(jīng)安裝后，電羅經(jīng)指向與船舶指向可能存在偏差，這個(gè)偏差叫航偏差，因?yàn)槎嗖ㄊ鴾y(cè)深系統(tǒng)發(fā)射的扇形聲波束接收陣列的排列與船艏是相互垂直的，如果電羅經(jīng)的指向與船首航向不一致，將影響換能器陣列的發(fā)射，接收角度，導(dǎo)致覆蓋寬度減少，降低工作效率。更重要的是，這將導(dǎo)致除中央波束外的所有波束定位錯(cuò)誤，離中央波束越遠(yuǎn)，誤差越大，從而導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。為此，需要對(duì)電羅經(jīng)進(jìn)行測(cè)試與校準(zhǔn)。電羅經(jīng)測(cè)試有三種方法，一是，為可在船舶?？看a頭時(shí)進(jìn)行，使用經(jīng)緯儀精確確定船艏向，并與電羅經(jīng)的指向進(jìn)行對(duì)比，確定電羅經(jīng)的校正值。二是，可選擇開闊的水域進(jìn)行，其方法是測(cè)量船按200 m直徑的圓周運(yùn)動(dòng)，連續(xù)航行4周，采用專門軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理，獲得校準(zhǔn)值。三是，利用水域中的突出標(biāo)志物，先在這標(biāo)志物的一側(cè)作直線航行，用右舷邊緣波束測(cè)量標(biāo)志物，得到一個(gè)文件；然后，在標(biāo)志物的另一側(cè)作反向直線航行，同樣用右舷邊緣波束測(cè)量標(biāo)志物，得到另一個(gè)文件（這兩條測(cè)線平行且與標(biāo)志物的距離相等）。第一次航行時(shí)，由于存在電羅經(jīng)誤差的航偏差（角）g，故突出標(biāo)志物R位置的水深點(diǎn)R1；同樣，第二次航行時(shí)，R位置的水深點(diǎn)偏移到了R2，測(cè)量R1與R2之間的距離d，航跡與突出標(biāo)志物點(diǎn)R之間的垂直距離為r，則可按式（1）計(jì)算出航偏差角，

（1）

g為航偏差；

d為測(cè)量R1與R2之間的距離；

r為航跡與突出標(biāo)志物點(diǎn)R之間的垂直距離。

（2）橫傾偏差角，縱傾偏差角測(cè)定及校正。

橫傾偏角是換能器與水平面垂直龍骨方向的夾角，縱傾偏差角是換能器與水平面縱向的夾角。它們是多波束測(cè)深的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)角實(shí)際上都包含一個(gè)動(dòng)態(tài)分量和一個(gè)靜態(tài)分量。動(dòng)態(tài)分量是由風(fēng)、涌、波浪等因素造成的，可以通過運(yùn)動(dòng)傳感器（或稱波浪補(bǔ)償儀）予以校正。靜態(tài)分量是由于安裝時(shí)造成的，分別稱為橫傾角和縱傾角。橫傾偏差角校正是針對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)的換能器在安裝過程中可能存在的橫向角度誤差而引入的一種校正方法。當(dāng)換能器橫向安裝角度與理論設(shè)計(jì)角存在偏差時(shí)，水底地形將受到嚴(yán)重彎曲，為此，必須進(jìn)行橫傾偏差角的測(cè)定與校正。由于定位值延遲和縱傾角（偏差）均造成測(cè)點(diǎn)前后位移，因此，橫傾偏差角校正獨(dú)立于其他校正，故應(yīng)予首先進(jìn)行測(cè)定。橫傾偏差角的測(cè)定，選擇一處比較平坦的水域布置一測(cè)線在風(fēng)浪較小的狀況下，以正常的航速往返測(cè)量，選擇符合要求的兩條測(cè)線（航向相反、航跡較直且重復(fù)性較好，時(shí)間相隔短），然后用多波束測(cè)深系統(tǒng)的橫傾模塊，在垂直測(cè)線方向截取斷面。通過調(diào)整橫傾偏差角，使兩斷面最佳重合，這時(shí)的值就是橫傾偏差角。

4 定位導(dǎo)航

本項(xiàng)目水深測(cè)量作業(yè)平面定位擬全部采用星站差分SF3050技術(shù)實(shí)施。由于SF3050 獲取的是WGS-84 坐標(biāo)，而測(cè)量成圖所用的坐標(biāo)系為北京54坐標(biāo)系。因此，在測(cè)量前必須先求取WGS-84 到北京54坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。WGS-84 坐標(biāo)系至北京54坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)可直接利用控制點(diǎn)中3個(gè)以上控制點(diǎn)求取。為檢驗(yàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的準(zhǔn)確度，使用SF3050接收機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì)，利用實(shí)測(cè)坐標(biāo)與已知坐標(biāo)的比對(duì)差來檢驗(yàn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的準(zhǔn)確性，比對(duì)結(jié)果滿足規(guī)范要求方可投入使用。

5 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

5.1 掃道設(shè)計(jì)和測(cè)線布設(shè)

（1）掃道方向。

在掃道方向設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到多波束測(cè)深系統(tǒng)采集的是高密度條帶式水深數(shù)據(jù)，它可以對(duì)水下地形進(jìn)行全覆蓋測(cè)深。在正常工作環(huán)境中，只要船速選擇適當(dāng)，就不會(huì)把特殊水深遺漏，因此，掃道方向的設(shè)計(jì)順著航道方向布設(shè)[17]。

（2）掃道寬度。

（RESON 7125）的掃道設(shè)計(jì)寬度為W=2D圖tanθ，式中D圖為海圖水深，θ為波束角。在實(shí)際操作中，掃道寬度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水深來確定，是以掃道設(shè)計(jì)寬度值為準(zhǔn)。另考慮到施工時(shí)對(duì)漲潮水位的充分利用，也可以實(shí)際掃側(cè)數(shù)據(jù)填滿屏幕顯示的設(shè)計(jì)范圍并有重疊為準(zhǔn)。

（3）重疊帶寬度。

《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)測(cè)圖比例尺大于1∶5000時(shí)，測(cè)深定位點(diǎn)點(diǎn)位中誤差限值為圖上1.5 mm，定位點(diǎn)記錄中誤差為圖上0.5 mm。

重疊帶寬度計(jì)算如下：

式中，

S為多波束掃側(cè)重疊帶寬度；

E0為測(cè)量船定位中誤差；

E1為船舶偏航系統(tǒng)性誤差。

根據(jù)上述的要求對(duì)川江港航道進(jìn)行測(cè)線布設(shè)：多波束測(cè)線平行于航道布設(shè)，測(cè)線間距10m，測(cè)量時(shí)根據(jù)覆蓋寬度選擇測(cè)線號(hào)，保證在測(cè)量范圍內(nèi)全覆蓋測(cè)量。具體布設(shè)局部區(qū)段示意圖見圖1。

5.2 測(cè)量實(shí)施和數(shù)據(jù)后處理

多波束測(cè)量使用的是RESON 7125測(cè)量軟件，軟件同步采集星站差分SF3050位置數(shù)據(jù)、多波束測(cè)深儀水深測(cè)量數(shù)據(jù)、波浪補(bǔ)償儀姿態(tài)補(bǔ)償數(shù)據(jù)、電羅經(jīng)數(shù)據(jù)。聲速儀實(shí)時(shí)采集聲速數(shù)據(jù)確定單波束聲速和多波束的聲速剖面。使用CARIS后處理軟件進(jìn)行水深點(diǎn)的后處理，除去假水深，在CARIS 軟件中錄入潮位信息，自動(dòng)對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行水位改正。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和成圖兩個(gè)部分。預(yù)處理主要包括定位數(shù)據(jù)處理，聲速剖面數(shù)據(jù)處理，潮位數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)數(shù)據(jù)處理，深度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)編輯、去噪、合并、清項(xiàng)；成圖處理是對(duì)預(yù)處理后得到的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，生成數(shù)字地形模型（DTM），形成海底地形圖。

5.3 成果應(yīng)用分析

對(duì)航槽施工區(qū)段的定期測(cè)量，將獲得的數(shù)據(jù)提供給施工船舶進(jìn)行施工作業(yè)。通過這種方式可以提高施工效率，保證質(zhì)量。得到的多波束數(shù)據(jù)能很直觀的反映出施工時(shí)遺漏的淺點(diǎn)。這一點(diǎn)通過單波束測(cè)量手段是無法做到的。下面抽取一次多波束測(cè)量后處理得到的航道區(qū)域內(nèi)三維立體效果圖（圖2）和色塊圖（圖3）。

參考文獻(xiàn)

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