多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用

裴學軍，周迎奎，高 潔

（利津縣水利局，山東 利津 257400）

水下地形測量是工程測量中的一種特定測量，主要是測量江河、湖泊、水庫、港灣和近海水底點的平面位置和高程，用以繪制水下地形圖的測繪工作。傳統(tǒng)的水下地形測量方法（如測深桿法、測深錘法、回聲測深儀法等）只能簡單地獲取水深信息，對于河底的地形信息卻無能為力；聲吶系統(tǒng)和單波束測深系統(tǒng)一定程度上解決了水下地形的測量問題，但是在測量效率和測量精度上已經(jīng)無法滿足測量要求。多波束測深系統(tǒng)的發(fā)展很大程度上解決了水下地形測量的精度和效率問題，可以在較短的時間內(nèi)獲取某水域詳細準確地地形信息，是一種高精度、高效率的測量方法。

1　基本原理

多波束測深系統(tǒng)能夠有效探測水下地形，得到高精度的三維地形圖。多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向水底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對水底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當?shù)奶幚恚淮翁綔y就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的水底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出水底地形的三維特征。

2　應(yīng)用實例

使用國產(chǎn)MS-400淺水多波束測深系統(tǒng)對黃河下游某水域進行實地探測，并使用專業(yè)的數(shù)據(jù)后處理軟件對測量數(shù)據(jù)進行建模與顯色處理。

2.1　技術(shù)要求

1）平面控制：水域平面坐標采用WGS84坐標系，120°標準三度帶投影。

2）高程及水深基準：采用作業(yè)時段水位作為高程基準面。

2.2　系統(tǒng)組成

MS-400淺水多波束測深系統(tǒng)由換能器探頭、聲吶甲板單元、換能器電纜、筆記本電腦及系統(tǒng)軟件等部分組成。換能器探頭內(nèi)部集成衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供高精度GNSS定位、艏向和三維姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出。聲納接口單元通過千兆以太網(wǎng)接口與主控電腦連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.3　主要儀器及軟件配置

1）MS-400淺水多波束測深儀。MS-400高頻淺水多波束測深儀主要面向內(nèi)河、港口、航道、海岸線等淺水領(lǐng)域應(yīng)用，擁有便攜式、高分辨率和高性能等特點，可將操作人員的現(xiàn)場工作減少到最小。內(nèi)置姿態(tài)儀，將聲學基陣與姿態(tài)測量集成于一體，免去了測量時安裝校準的繁瑣過程，同時也兼容外部高精度姿態(tài)儀。

2）SVS1500表面聲速儀。SVS1500系列高精度表面聲速測量儀采用了目前最好的“時間飛躍”技術(shù)進行聲速測量，并結(jié)合先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，將聲速的測量精度達到0.05 m/s的世界主流水平。其主要技術(shù)指標：聲速測量范圍為1 400~1 600 m/s（擴展范圍可定制）；聲速測量分辨率為0.001 m/s；聲速測量精度為±0.03 m/s（反射面距離50 mm）；聲頻率為2 MHz；采樣速率（數(shù)據(jù)率）為最大30 Hz；溫度傳感器類型為PT1000鉑電阻溫度傳感器；溫度測量分辨率為0.001℃；溫度測量精度為±0.05℃。

3）數(shù)據(jù)采集軟件和導(dǎo)航軟件。HydroQuest數(shù)據(jù)采集軟件基于VS2010開發(fā)平臺開發(fā)，數(shù)據(jù)接口采用TCP/IP傳輸協(xié)議，軟件主要包括用戶工程文件管理，數(shù)據(jù)采集、解析、存儲、繪圖顯示，用戶與系統(tǒng)工作參數(shù)實時控制，采集數(shù)據(jù)回放控制四大功能模塊。

HydroNavi水上導(dǎo)航軟件是一款為海洋測繪、河道測量提供導(dǎo)航服務(wù)軟件。為海底地形測繪，河道地形測繪，水下工程施工等應(yīng)用提供完善的解決方案。

4）數(shù)據(jù)后處理軟件。Hypack軟件的測量模塊具有設(shè)置靈活，支持硬件多的特點；能向用戶提供高質(zhì)量的定位和測深數(shù)據(jù)，同時提供了強大的內(nèi)業(yè)編輯、繪圖和土方測量計算功能。軟件從大地測量轉(zhuǎn)換、測量設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)后處理直到最終測量成圖都實現(xiàn)了快速可靠，強大的繪圖引擎能夠以當前所有格式的圖件作為背景文件來實現(xiàn)測線建立和實時數(shù)據(jù)采集。

2.4　數(shù)據(jù)采集與處理

1）儀器安裝。為實現(xiàn)對兩岸邊坡的全測量，多波束探頭采用傾斜安裝的方式固定于測量船右側(cè)。通過可調(diào)節(jié)安裝角度的轉(zhuǎn)接法蘭，實現(xiàn)多波束探頭向右側(cè)傾斜35°。

2）數(shù)據(jù)采集及處理。采用專業(yè)多波束數(shù)據(jù)處理軟件Hypack進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理流程主要包括：位置安裝偏差修正、聲速剖面改正、水位改正、剔除錯誤“飛點”、TIN模型生成、數(shù)據(jù)合并、數(shù)據(jù)抽稀、輸出等過程。

2.5　試驗結(jié)論

此次試驗取得了較好的試驗結(jié)果，所獲取的水底地形數(shù)據(jù)可以真實的再現(xiàn)水下的地形信息，并且具有高精度、高效率的優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于江河、水庫、湖泊、海洋水下地形的測量。