基于多波束聲吶系統的水深測量技術研究

胡玗晗

摘 要：本文以多波束聲吶系統在水下地形測量中的應用為研究對象，探討了多波束聲吶系統的原理、數據處理方法，并以傳統的掃床方式對多波束測深系統的質量的進行了檢驗，結果表明，在水深30m的情況下，通過3～4次的反復掃測完全能夠達到測點間距為3.6cm，這樣的測點密度完全能夠檢測到水下細小的礁石，能夠非常詳細地反映施工區域水下地形情況。且多波束測深系統的測量數據在施測過程中就可以實時顯示水下區域的地形情況，測量數據不僅可以制作平面的地形圖，還可以制作三維模型，展示的效果直觀豐富。

關鍵詞：多波束測深系統 航道炸礁 質量檢驗 應用研究

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（a）-0036-02

在某工程施工中，需要對水下地形情況進行掃測，本文利用多波束聲吶系統進行了測量，并用傳統掃床方式進行了質量檢驗。

1 多波束水下地形掃測

本次項目掃測采用的多波束測深系統是由丹麥RESON公司生產的SeaBat 7125 SV2型高分辨率多波束聲吶系統。本次掃測項目多波束采用船體井式固定安裝。

數據采集利用7K Control控制軟件與PDS2000數據采 集軟件相結合的方式進行。采用7KControl控制軟件對各 個測量傳感器進行控制；PDS2000數據采集軟件用于數 據采集以及數據顯示。掃測時，首先在PDS2000中建立掃 測項目。數據采集的具體過程如下。

（1）在新建掃測項目前要利用能夠控制到該測區范圍的 控制點計算出測區的七參數。

（2）在已有的測區范圍圖上用直線段取出范圍線并保存為dxf格式。

（3）新建掃測項目。

（4）插入7K控制軟件狗，打開7K控制軟件，選擇適合本次測區水深的400kHz頻率，以自動模式開始數據采集。

（5）打開PDS2000軟件點擊Realtime，顯示一些常見的便于操作者和測船駕駛員觀看的界面。掃測的平面圖和立 體圖分別如圖1所示。

2 多波束數據處理與成圖

2.1 數據處理

采用Caris軟件對PDS2000采集的數據進行后處理。具 體的操作過程如下。

（1）新建船型文件，船型文件的日期要在本次掃測開始前的某個日期，船型文件主要是用于把多波束系統指出各傳感器的空間參考位置以及各傳感器的安裝偏轉角；（2）新建工程，工程日期最好是測量當天日期；（3）導入當天所測的測線文件并打開新建的工程；（4）添加當天所測區域內的潮位文件和剖面聲速文件并進行數據融合；（5）選中所導入的一條測線文件截取它的一條狹小的剖面在各個視圖下進行條帶編輯，以便剔除跳點；（6）新建表單文件，表單文件可以新建多個，以便得到想要的某個區域內的水深數據；（7）新建基礎曲面并刷新；（8）選一個狹小的剖面在平面和三維視圖下進行分塊編輯，以便剔除跳點；（9）把一些非常小沒有掃測到的區域利用內插的方法來獲得水深數據；（10）數據輸出，按照本次掃測的有關技術要求，輸出格網大小為1m的水下地形數據。

數據處理的平面和三維成果圖分別如圖2所示。

2.2 制作成果圖

把輸出的數據用文本編輯器編輯成可以導入到Cass成 圖軟件中成圖的格式。在導入到Cass成圖軟件中成圖時高 程間距設為5m。具體的成圖過程如下。

（1）導出水下地形掃測數據，包含（格式說明：點號，北坐 標，東坐標，高程）。

（2）用專業成圖軟件（南方Cass7.0成圖軟件）調入測區 所有數據，進行圖形編輯和處理成圖；內業成圖參照《規 范》編制。

3 成果質量檢驗

為了檢驗多波束測深系統的掃測質量，本工程又采用傳統的掃床方式進行了質量檢驗。

3.1 掃床方式

目前內河航道整治硬式掃床方式多采用橫式和順式兩種。根據水位情況及本工程特點，本工程計劃采取大型工作船進行橫式掃床。在前期水深測量確認達到設計標高后進行。具體以工程船作為掃床平臺，在桿上設置掃床架進行橫式掃床。工程船由兩根主纜以及左右4根橫移鋼纜固定船位，通過左右橫移鋼纜的收放橫向移動船位，達到掃床目的。

3.2 掃床技術措施

為了確保掃桿下水深度、掃測范圍全覆蓋和掃床質量，采取了如下的技術措施。

（1）掃床架采用豎桿、橫桿和斜支桿組裝。

（2）掃床架中部多增加一根橫加強桿，提高了入水部分掃架的整體強度。

（3）掃床底掃桿平行重疊一根和掃床架桿全焊接方式連接，防止掃桿因水流影響和拉繩受力變形。

（4）增加上游方向第二層提頭繩1根、左右拉繩4根，防止掃架左右擺動。

（5）為了保證掃床質量，在掃床架橫掃桿上設置一根細鋼纜，用于檢測豎直掃桿的變形。

（6）隨時對掃測船左右側錨的走向進行調整，使掃測船處于最佳掃測模式，確保掃床范圍全覆蓋和掃床安全。

4 精度評價與對比

4.1 掃測寬度及分辨率

目前我單位正在使用的SeaBat 7125型多波束系統，一 次發射512個聲波波束，等距模式下波束最大掃測角度為 140°。在水深30m的情況下，通過3～4次的反復掃測完全 能夠達到測點間距為3.6cm，這樣的測點密度完全能夠檢 測到水下細小的礁石，能夠非常詳細的反映施工區域水下 地形情況。

4.2 掃測水深精度

一次性的有效掃測寬度取決于掃桿的長度。掃桿在水流作用下會產生形變，入水深度越深，變形越大，有效掃測深度減少越多，各情況下有效入水深度減少情況，如表1所示。

SeaBat 7125型多波束測深系統的測量水深分辨率為6mm，并且配備有精密的姿態儀，能夠實時獲取精確的姿態數據并對測深數據進行姿態改正，測深數據不受水流影響而發生偏差，能夠保證掃測的有效掃測深度。

4.3 作業效率

傳統的硬式掃床方式需要先進行單波束水下地形測量進行初步檢測，未發現淺點的情況下再進行硬式掃床。而是掃床船通過控制纜繩的收放來進行移動，移動緩慢，同時掃床過程中水位變化較大時，還需要根據水位情況調整掃桿的入水深度，硬式掃床的作業效率非常低。

采用多波束掃測系統不需要先進行單波束水下地形測量，可以直接進行掃床，船速只要保持在10km/h以下即可，施測過程中多波束系統測深數據根據GPS測量的水面高實時進行水位補償。作業效率比硬式掃床有明顯提升。

4.4 效果展示

傳統的硬式掃床方式是通過查看掃床軌跡圖和掃桿情況來確認施工效果，成果展示手段單一，直觀性不足。多波束測深系統的測量數據在施測過程中就可以實時顯示水下區域的地形情況，測量數據不僅可以制作平面的地形圖，還可以制作三維模型，展示的效果直觀豐富。

參考文獻

[1] 李素江，董江，裴文斌，等.RTK三維水深測量精度分析及試驗驗證[J].海洋測繪.2012（5）：33-36.

[2] 程波，蔡艷軍，蔣婷婷.多波束與RTK三維水深測量技術的聯合應用[J].工程技術研究，2018（4）：11-17.