多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用于長江上游航道測量的探討

鄭國智 王成文

摘 要： 針對長江上游航道險、急、彎、窄、陡等復(fù)雜水情的特殊性，傳統(tǒng)多波束測量的盲區(qū)主要集中在對崖壁地形、水下建筑物、淺灘、邊坡和淺水航道的低效測量。本文通過利用多波束進(jìn)行水下地形測量以及水下目標(biāo)物探測的過程中，將側(cè)掃圖像與三維點云圖像相結(jié)合能夠?qū)λ鲁链?、礁石等礙航物進(jìn)行掃測，對各類水下建筑物的損毀情況進(jìn)行精細(xì)的調(diào)查;實現(xiàn)航道測量與掃床同時完成，有效提高工作效率。因此，多波束測深系統(tǒng)正日益受到內(nèi)河測量航道的認(rèn)可，并在實際生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

關(guān)鍵詞： 多波束測深系統(tǒng);海洋測量;數(shù)據(jù)處理;航道

前言

多波束測深系統(tǒng)，又稱為多波束測深儀、條帶測深儀或多波束測深聲吶等，最初的設(shè)計構(gòu)想就是為了提高海底地形測量效率。多波束測深系統(tǒng)可在測量斷面內(nèi)形成十幾個至上百個測深點，幾百個甚至上千個回向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，從而保證了較寬的掃幅和較高的測點密度;另一方面，較窄的波束、先進(jìn)的檢測技術(shù)和精密的聲線改正方法的采用，也確保了測點船體坐標(biāo)的歸位計算精度，因而多波束測深具有全覆蓋、高精度、高密度和高效率的特點。

1 ?多波束測深系統(tǒng)技術(shù)原理

多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進(jìn)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海底地形的照射腳印，對這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。

2 ?多波束測試概況

2018 年 6月 ，應(yīng)單位的邀請，海卓 MS200淺水型多波束測深儀廠家到長江上游航道適用性進(jìn)行了現(xiàn)場演示測試。針對長江上游航道的特殊性及作業(yè)需求，結(jié)合多波束測深性能和特點，演示重點進(jìn)行了如下三個方面的內(nèi)容：

（1）任意角度傾斜測量--采用傾斜測量的方式對水下淺灘或建筑物進(jìn)行測量，重點測試多波束的任意角度傾斜測量功能的可靠性和測量效果的一致性。

（2）航道水深測量--針對長江航道日常測量作業(yè)要求，考察多波束的測深功能和側(cè)掃功能，重點測試多波束免安裝校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)拼接和測量效果。

（3）航道障礙物掃測--對水下沉船或其他礙航物進(jìn)行掃測，重點考察多波束的水下目標(biāo)物的探測功能及分辨率。

3 ?測量實施

3.1 ?系統(tǒng)組成

本次測量采用了海卓 MS200淺水型多波束測深系統(tǒng)，與其他多波束測深相比，其最大的特點是采用了一體化設(shè)計，水下聲納換能器集成了光纖羅經(jīng)姿態(tài)傳感器、表面聲速儀，水上處理單元集成了 GNSS 定位系統(tǒng)，使得整個系統(tǒng)僅有換能器電纜、GNSS 天線饋線、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線和電源線等四條連線，使設(shè)備的連接使用大大簡化。定位定位設(shè)備采用海卓 MS200多波束測深系統(tǒng)內(nèi)置的GNSS單點定位模式，坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測深數(shù)據(jù)采集和處理，投影采用 UTM 投影。

3.2 ?傾斜測量小結(jié)

（1）崖壁地形、水下建筑物等原有測量盲區(qū)安全測量 利用海卓 MS200 的任意角度傾斜安裝功能，在不進(jìn)行任何安裝校準(zhǔn)的情況下，能夠有效對水下崖壁進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量。在傾斜測量過程中，可以使測量船遠(yuǎn)離水下礁石、建筑物等，從而有效保障測量安全。

（2）保障航道淺灘地形高效測量針對淺水平坦水域能夠有效提高測量效率，單側(cè)覆蓋寬度可達(dá)8倍水深以上，若采用雙探頭 V 型安裝方案，可實現(xiàn)16倍水深以上的高效覆蓋，有效解決長江上游淺水航道的高效測量問題。

3.3 沉船掃測

海卓 MS200 地形測量具有高分辨、高精度和高精細(xì)度的特點，可以對沉船 在水底位置、形態(tài)進(jìn)行精細(xì)測量。依次為沉船的平面 彩圖、三維模型圖和三維點云圖，從多個角度分別給出了沉船的位置、沉船的三維形態(tài)分布。海卓 MS200 采集軟件中，可以對沉船的大小、高度等信息進(jìn)行準(zhǔn)確測量，為后續(xù)的沉船清理工作提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4 ?礁石掃測

通過三維地形圖，可以清晰的分辨水底的礁石等其他目標(biāo)物。航道邊坡附近的大塊礁石和邊緣的小尺寸礁石的分布、大小等特征信息都可以清晰的顯示。

除利用測深功能獲得的水下地形外，還可以根據(jù)海卓 MS200 側(cè)掃成像功能輸出的側(cè)掃圖像判別水底目標(biāo)，右側(cè)給出了航道邊坡和附近小目標(biāo)的三維地形，紅色方框范圍內(nèi)地形和目標(biāo)，在左側(cè)的側(cè)掃圖像中，對應(yīng)顯示了目標(biāo)的圖像。

3.5 水下目標(biāo)物掃測小結(jié)

海卓 MS200 多波束測深系統(tǒng)可以對航道和邊坡進(jìn)行精細(xì)化的地形測量和清晰的側(cè)掃圖像測量功能。通過以上功能，可以對水下沉船、礁石等礙航物進(jìn)行掃測，也可以對丁壩等水下建筑物的損毀情況進(jìn)行精細(xì)的調(diào)查;水下目標(biāo)物掃測功能為礙航物的清理、水下建筑物的維護(hù)決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

3.6 ?測量數(shù)據(jù)融合

由于海卓 MS200 多波束系統(tǒng)內(nèi)置高精度光纖慣導(dǎo)且具備免安裝校準(zhǔn)功能， 有效保證不同模式下的測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)高吻合度拼接，使得傾斜安裝測量的航道兩岸邊坡數(shù)據(jù)和水平安裝測量的航道數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行無縫數(shù)據(jù)融合。

3.7 ?實時測量數(shù)據(jù)融合

海卓 MS200 多波束系統(tǒng)的導(dǎo)航采集軟件具備實時 DTM 構(gòu)網(wǎng)和顯示功能。 在完成針對航道邊坡的傾斜測量后，進(jìn)行水平安裝航道測量時，采集軟件實時顯示水下地形 DTM 圖，水平安裝測量的結(jié)果與之前傾斜測量的結(jié)果能夠很好的吻合，兩次測量的重疊部分一致性高，無明顯拼接痕跡。

4 ?測試結(jié)論

通過此次針對海卓 MS200 的三個主要測試項目的過程和測量成果的分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）利用傾斜安裝測量方式能夠解決傳統(tǒng)多波束測量盲區(qū)的問題針對長江航道，傳統(tǒng)多波束測量的盲區(qū)主要集中在對崖壁地形、水下建筑物、淺灘、邊坡和淺水航道的低效測量。通過此次測試可以證明，利用海卓 MS200 的任意角度傾斜測量功能可高效的對上述盲區(qū)地形進(jìn)行精細(xì)測量，傾斜測量的結(jié) 果能夠與常規(guī)模式測量結(jié)果完全吻合。

（2）完全免安裝校準(zhǔn)功能能夠有效減輕多波束測量的工作量 通過傾斜測量和常規(guī)模式測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和拼接可以證明，采用一體化設(shè)計的海卓 MS200 多波束測深系統(tǒng)在免安裝校準(zhǔn)情況先的測量結(jié)果能夠達(dá)到長江航道水下測量的要求。同時采用一體化設(shè)計，連線減少，不需要進(jìn)行復(fù)雜的安 裝校準(zhǔn)工作，可大大提高航道測量的外業(yè)工作效率，降低外業(yè)工作強(qiáng)度。

（3）地形和地貌同時測量能夠有效提高各種水下目標(biāo)物的檢測和判斷通過測試過程可以證明，利用多波束進(jìn)行水下地形測量以及水下目標(biāo)物探測的過程中，將側(cè)掃圖像與三維點云圖像相結(jié)合能夠?qū)λ鲁链⒔甘鹊K航物進(jìn)行掃測，對各類水下建筑物的損毀情況進(jìn)行精細(xì)的調(diào)查;實現(xiàn)航道測量與掃床同 時完成，有效提高工作效率。

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