基于工程案例的多波束水深測量精度的影響因素研究

刁永洲

摘 要：本文結合筆者參與的珠江流域某河道水深測量的工程案例，探討了影響多波束水深測量精度的幾個因素，包括定位精度，定位時延、橫搖、縱搖、艏搖，系統測深精度，各設備間的距離精度，聲速測量，驗潮精度，數據覆蓋密度，數據處理剔除噪聲等，并結合工程案例重點探討了橫搖、縱搖、艏搖對測深精度的影響，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：水深測量 多波束 精度 影響因素

中圖分類號：P229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（b）-0081-02

目前，多波束測深系統已經向集成化與模塊化方向發展，數據處理也實現了軟件自動化處理，隨著珠江流域水利水電建設測繪技術的發展，筆者所在單位引進成套的多波束測深系統，主要設備包括：Sonic 2022聲吶系統、GPS羅經、姿態儀、聲速剖面儀等，主要軟件包括：R2Sonic聲吶控制軟件、QINSy數據采集軟件、CARIS數據處理軟件等，在許多工程中發揮出了巨大的作用。現以珠江流域某河段多波束測深系統測量為例，分析影響測量精度的因素，采取提高測量精度的措施。

1 多波束系統工作原理

多波束測深系統是組合設備系統，GPS羅經可以進行瞬時定位，姿態儀可以確定瞬時姿態參數，聲吶探頭可以探測瞬時水深，將這些設備測量的數據進行整合計算并加以改正，便可得出準確的水深數據。多波束測深系統的工作原理是利用發射換能器陣列向水下發射寬扇區覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對水下地形的照射腳印，對這些腳印進行適當的處理，探測瞬間就能測量出與航向垂直的垂面內上百個甚至更多的水深值，從而能夠快速、精確地測出沿航線一定寬度內水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出水下地形的三維特征。

2 影響多波束測量精度的因素

2.1 定位精度影響

定位精度除受定位設備的精度直接影響外，主要還受水下地形的影響，定位誤差對水深點的影響是改變了具體位置處的真實水深值。測量時采用的GPS羅經是Trimble GPS定位系統，該系統使用信標差分技術進行位置定位，定位精度優于±1m，測區水下地形坡度約為1∶20，±1m的定位誤差在坡度線上對水深產生±0.05m的影響，完全滿足水下地形測量精度要求，況且多波束測深時為平行河道測量，測線基本上沿水下等高線進行，定位影響可以忽略不計。但如果水下地形坡度較大或比較復雜，提高定位精度可提高水下測量精度。

2.2 定位時延、橫搖、縱搖、艏搖的影響

定位時延中誤差規范要求不小于0.05s，以5節船速計算，所產生的定位誤差為±0.13m，由此產生的水深誤差可以忽略不計。如定位時延誤差過大、船速過快、水下地形復雜，將會對水下測量產生較大的影響。橫搖偏差規定中誤差應小于0.05°，測區的平均水深為30m，波束角為1°×1°，波束橫向開角控制在120°，當探桿固定垂直向下無傾角誤差時，邊緣波束將產生約±0.05m橫向的水深誤差，這種誤差對水深測量影響很小。當橫搖偏差校正誤差達到0.1°，將會對水深產生約±0.1m的誤差，隨著誤差的變大，橫搖偏差將對水深產生較大的影響。縱搖偏差規定中誤差應小于0.3°，測區的平均水深為30m，波束角為1°×1°，波束橫向開角控制在120°，當探桿固定垂直向下無傾角誤差時，邊緣波束將產生約±0.05m的縱向水深誤差，這種誤差對水深測量影響很小。當縱搖偏差過大時，同樣對水深產生較大的影響，與橫搖偏差相比較，縱搖偏差對水深測量影響較小。艏向偏差規定中誤差應小于0.1°，測區的平均水深為30 m，波束橫向開角控制在120°，當探桿固定垂直向下無傾角誤差時，經計算，邊緣波束將產生約±0.09m的點位偏差，在水下地形坡度約為1∶20的水域產生的水深誤差可以忽略不計。但如果艏向偏差誤差較大或水下坡度較大，水深誤差也隨著增大。

2.3 系統測深精度

Sonic 2022型高分辨率寬帶多波束測深系統是世界上第一臺真正的高分辨率寬帶淺水多波束測深儀，代表了當前最先進的水下聲學技術，其最大量程500m，量程分辨率為1.25cm，精度高，在不考慮其他因素的影響下，單獨的測深精度完全滿足水下地形測量的要求。

2.4 提高各設備間的距離精度

系統各配套設備的傳感器位置與測量船參考坐標系原點的偏移量應精確測量，讀數至厘米，往返各測1次，水平方向往返讀數互差應小于50mm，豎直方向往返讀數互差應小于20mm，在限差范圍內取其均值作為測量結果。提高各設備間的距離量測精度或在船坐標系中的坐標精度，能夠提高水深計算精度。

2.5 聲速測量的影響

聲速與海水溫度、鹽度和靜水壓力密切相關，聲速隨溫度升高而增大，溫度升高1℃聲速的變化是原來的35%，則聲速將增大約5m/s，聲速受溫度影響最大；隨鹽度增加而增大，鹽度增加1，聲速值增加約1.14m/s；靜壓力增加，聲速值增加，海水深度變化100m，聲速增量約1.75m/s。經計算，聲速每變化10m/s，水深變化將達0.3m左右，聲速對測深精度影響相當大，多波束測深對聲速測定要求很嚴格，多波束系統配備的是Odom Digibar S聲速剖面儀，量程為1400～1600m/s，分辨率為0.01m/s，精度為±0.2m/s，如按要求使用聲速剖面儀并且操作和采集數據正確，能夠滿足多波束測深的要求。

2.6 驗潮精度的影響

水位觀測可采用驗潮站的自記式驗潮儀、便攜式驗潮儀、水尺等，其觀測誤差不得大于2cm，驗潮站的密度應能控制測區的潮汐變化，相鄰驗潮站之間的距離應滿足最大超高差不大于1m、最大潮時差不大于2h、潮汐性質相同。多波束測量時在6km河段的上游、中游、下游分別布置了3把水尺，按要求進行觀測，驗潮精度可以滿足要求。

2.7 數據覆蓋密度的影響

Sonic 2022型多波束測深系統波束角為1°×1°，瞬時測量可達256個波束，如果波束開角控制適當，在平均水深約30m的河底，能夠生成不大于0.52m的水下點位密度，可形成高分辨率的水下三維地形，但如果波束開角較大、河水較深，勢必降低水下地形分辨率，地形的精度也會有所降低。

3 工程案例

多波束測深系統測量在珠江流域某河段得到了充分應用，現舉例說明橫搖、縱搖、艏搖對多波束測深的精度影響，其他因素主要屬于設備自身精度的影響，提高儀器本身的精度可以提高測深精度，這個不難理解。考慮到橫搖、縱搖和艏搖3個姿態參數同流速、船速和波浪等因素之間的聯系，因此選取較為理想的條件進行姿態參數求定，經過實地測量并嚴格校準，校準值分別是橫搖值R=-0.45°，縱搖值 P=-0.5°，艏搖值Y=0°，經校準值計算的水深可認為為實際水深值，圖1為一條測線的部分圖形。

根據斷面上的數據，分別變化各校準值重新計算測量水深，并與實際水深值進行比較，統計結果表明，當水深約37m，橫搖值減少0.05°和0.1°，波束角右舷60°的位置實測水深變化約0.05m和0.10m；當水深約48.4m，橫搖值減小0.05°和0.1°，波束角左舷60°的位置實測水深變化約-0.06m和-0.13m；波束角越大，水深越深，橫搖值的變化對測深精度影響越大，因此規范要求，橫搖偏差規定中誤差應小于0.05°。當水深約37m，縱搖值減少0.3°，波束角右舷60°的位置實測水深變化約0.01m；當水深約48.4m，橫搖值減小0.3°，波束角左舷60°的位置實測水深變化約-0.02m，因此規范要求，縱搖值偏差規定中誤差應小于0.3°。

結果表明，當水深約37m，艏搖值增加0.1°，波束角右舷60°的位置實測水深變化約0.01m；當水深約48.4m，艏搖值增加0.1°，波束角左舷60°的位置實測水深變化約0.01 m，因此規范要求，艏搖值偏差規定中誤差應小于0.1°。

由以上3個統計數據可以看出，橫搖偏差將對水深產生較大的影響，應提高橫搖值校準精度，同時當水深較深時，應盡量減小波束開角，減少測量誤差。

4 結語

多波束測深系統是多種技術集成的高科技系統，相關的設備多，外業測量及數據處理都比較復雜，各種設備不可避免地都會帶來測量誤差，除上述因素影響精度外，姿態儀靈敏度精度、控制網及坐標轉換精度、探桿安裝傾斜角度的誤差因素等也會影響最終精度，通過更換更高精度的設備、提高測量或安裝精度，嚴格按照多波束測深要求測量，對姿態進行精密校正和對數據進行精細處理，可以提高多波束測深精度，形成高精度的三維水下成果，滿足一般成圖精度要求，在水利建設方面有廣闊的應用前景。

參考文獻

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