精密單波束測深分析與實踐

郭志金 何雯 羅曄

摘要：隨著對多波束系統組成單元的研究不斷深入，多傳感器集成技術已從傳統單波束測深向精細化方向發展。在分析普通單波束測深精度因子的基礎上，重點針對延時效應、動吃水效應和波束角效應進行了分析和試驗。試驗結果表明：對于中高速運行的測船測深作業，應進行延時改正;采用波束角小的換能器以無驗潮模式進行單波束測深可有效提高測深精度。得出了測深傳感器實時姿態對測深精度的影響，以及水下不同地貌對測深傳感器的敏感性。

關鍵詞：精密測深;單波束;精度因子;地貌敏感性

中圖法分類號：P332 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.005

文章編號：1006 - 0081（2021）05 - 0019 - 04

影響水深測量精度的因素很多，如定位誤差、驗潮誤差、動吃水誤差、聲速誤差、測船姿態變化導致的誤差等。以往的研究證實：采用RTK三維水深測量的無驗潮模式測深能有效解決定位、驗潮和動吃水誤差[1]，同時聲速剖面改正能有效減弱聲速效應引起的測深誤差。但實際工作中，也不能只追求測深精度而大量搭載各種傳感器，應依據地形特征分析各傳感器對測深精度提升的貢獻率，然后選擇搭載。應在分析普通單波束測深精度因子的基礎上，重點針對延時效應、動吃水效應和波束角效應進行分析和試驗，選擇最優的測深傳感器組合。

1 精密測深主要精度因子

不同于普通測深，分析了影響精密單波束測深精度的因素，并對采集到的數據處理進行優化。單波束測深精度的主要影響因子如下[2-4]。

1.1 延時效應和動吃水效應

測深系統性延時包括測深數據延時、定位數據延遲、采集軟件處理時間及定位和測深單元安裝偏差[5-6]。延時效應導致岸坡等區域等高線呈現鋸齒狀，與實際平順的岸坡地形特征嚴重不符。一般采用如下3種方案減弱延時效應：①降低船速，以減小延時導致的定位點和測深點位置偏差。②測前先驗算時延值，然后開始作業，選取坡比較大區域進行往返測，調整時延值達到往返斷面的最佳吻合。③通過后處理軟件對原始數據進行延時補償。

動吃水效應主要表現為起伏水流導致的船體垂蕩，以及測船行進速度變化時船體吃水的變化。采用無驗潮測深模式時，垂蕩值已在GNSS高程信息中體現[7-8]，可不用考慮;采用驗潮測深模式時，宜加裝涌浪傳感器，以改正測深值[9-10]。

1.2 波束角效應

由于傳播過程中能量的衰減，測深換能器發射的波束中，只有一定開角內的回波才能被換能器接收。根據底跟蹤原理，換能器只記錄此開角范圍內最早的回波作為計算水深的依據，因此水深值可能是開角范圍內水底任意點至換能器的距離，即波束角效應。以下從不同地形角度分析波束角效應對測深精度的影響。

（1）坡向不變區域。如圖1所示，在波束角效應影響下，實測水深并非測船定位點正下方水深，河底地形坡度的存在導致地形測量值失真，總體上表現為坡面向坡腳方向平移。

（2）坡向變化區域。如圖2所示，對于凸形水底，波束角效應在一定區域內表現為頂部加寬變平，兩側在坡向不變區域表現為平移。頂部平灘寬度為

對于凹形水底，測船前進過程中，當出現波束腳印范圍內非平坦地形但邊緣波束水深[H1=H2]時，必然導致凹槽底部黑色區域部分水底數據丟失。由圖2可知，只有當凹槽底部平緩，點1和點2切線對應夾角C小于開角B時，凹槽最低點深度不會丟失。

綜上所述，波束角效應帶來的測深誤差與波束角和水深成正比，隨地形起伏程度的加劇而增大。波束角效應的關鍵在于波束腳印大小，因此在進行水下地形施測時，宜先調查測區水深范圍，根據測圖比例尺測點間距要求和腳印大小選擇合適開角的換能器。

1.3 姿態效應

在測深作業中，受風浪等影響，測船顛簸造成換能器無法保持垂直向下，必然有橫搖α和縱搖β，導致定位點和波束腳印平面位置不重合，需要進行平面坐標改算和深度改正。

（1）平面坐標改算。首先以GPS相位中心為原點，船體前進方向為x軸建立船體的左手坐標系，波束腳印的船體坐標系平面坐標為

（2）深度改正。

2 試驗與分析

2.1 試驗組織實施

試驗選擇在長江中游河段進行，水深區間為（4 m，45 m），坡度區間為（0°，35°），分別采用單波束測深系統配合8°開角和3°開角的換能器，以無驗潮模式采集水下地形。試驗對姿態效應的影響只作定性分析，分別采用兩條航行穩定性不同的測船（水文021測船和快艇）施測。每組數據包含6條測線，測線間隔為15 m，測點間距為2 m。同時采用波束角為1°×0.5°（航向×垂向）的多波束測深系統進行水下地形精細化掃測，以此作為參考值對比分析單波束測深精度的影響因素。

2.2 成果對比分析

（1）動吃水和延時效應分析。采用快艇測深時，行進中船尾下沉明顯，解算快艇行進時的實時潮位，并與驗潮模式潮位比較，結果見圖3。可見快艇測深時，動吃水因素對測深質量影響極其明顯，為提高測深精度必須采用無驗潮模式。分別基于未進行延時改正和已進行延時改正的測深數據作圖，見圖4。由圖4可見，成圖比例尺越大，等高線鋸齒表現越明顯，進行改正后，效果明顯。

（2）波束角效應和姿態效應分析。分別以多波束系統和3°，8°開角單波束系統獲取的數據繪制河道橫斷面圖，并作疊合分析，見圖5。由圖5可見，單波束實測地形在斜坡區域有明顯的平移效應，平移值大小隨波束角和深度的增大而增大。在平坦區域無明顯差異，但依然總體高程較多波束測點高程低。

計算河道過水斷面面積比例誤差和28 m水位時的槽蓄量[9]比例誤差，見表1。由表1可知，隨波束角的減小，過水面積和槽蓄量計算精度明顯提高。同時，姿態穩定的作業平臺對精度提升有一定的貢獻率。

分別以4種作業形態的單波束測深數據和多波束點云數據為數據源，應用克里金插值法，建立曲面模型。對兩曲面模型進行柵格代數求差運算，以此研究誤差大小及其分布特征，統計結果見表2。

為直觀研究誤差分布特性，將求差之后的DEM貼合于三維模型上，以波束角8°和多波束數據為例，見圖6。由圖6可見，斜坡區域整體高程精度偏低，且隨深度的增加誤差逐步增大，同深度坡度越大精度越低;平坦和淺水區域整體精度較高。可將測區分為淺水平坦區（水深H≤15 m、坡度A≤5°）、深水平坦區（H>15 m、A≤5°）、緩坡區（5°

表3精度分區統計結果表明，在平坦區域，測深對定位精度因素不敏感，姿態效應與波束角效應對測深精度影響較小。在陡坡區域，姿態效應與波束角效應對測深精度影響較為顯著。

3 結 語

本文分析了單波束測深的主要精度因子，并通過實測數據分析可知，在單波束水深測量中，地形的復雜程度和波束角的大小是影響測量精度的顯著因素。通過算法改進可減少延時、姿態等因素的影響。然而本文試驗未能集成姿態數據對定位和測深數據進行精細化修正，應在以后的研究中加以改進和完善。

參考文獻：

[1] 王真祥. 多傳感器集成下的精密無驗潮水深測量方法研究[J]. 人民長江， 2019， 50（12）：60-65.

[2] 劉雁春， 陳永奇. 海道測量定位與測深的延時效應[J]. 海洋測繪， 1999（1）：27-34.

[3] 郭發濱， 申宏， 雷寧，等. 水聲換能器動態吃水與傳感器技術探討[J]. 海洋測繪， 2005， 25（5）：25-27.

[4] 劉雁春， 陳永奇. 海洋測深的波束角效應及其改正[C]// 北京：海洋測繪綜合性學術研討會，1998：22-29.

[5] 彭剛躍， 郭珍珍.無驗潮模式水下地形測量的水位改正方法[J].北京測繪，2019（4）：472-475.

[6] 丁繼勝， 劉忠臣， 周興華，等. 利用姿態傳感器提高單波束測深精度[C]// 第十四屆海洋測繪綜合性學術研討會. 北京：中國測繪學會， 2002.

[7] 趙建虎. 現代海洋測繪[M].武漢：武漢大學出版社，2008.

[8] 李東峰， 韓磊. 潮位儀與GPS測定水面高程的方法研究及應用[J]. 測繪與空間地理信息， 2020， 43（5）：155-157.

[9] 水利部水文局.水道觀測規范：SL257-2017[S].北京：中國水利水電出版社，2017.

[10] 李俊曉， 李朝奎， 殷智慧. 基于ArcGIS的克里金插值方法及其應用[J]. 測繪通報， 2013（9）：87-90.

（編輯：李 慧）

Abstract：With the increasingly intensive research on the components of multi-beam system， the technology of multi-sensor integration has become the fine sounding development direction of traditional single beam bathymetry. Based on the analysis of the influential factors of precision of common single beam sounding， the analysis and test of delay effect， dynamic draft effect and beam angle effect were focused. The results showed that the delay should be corrected for the sounding operation at medium and high ship speed， and the single beam sounding with smaller beam angle transducer in non tidal mode can effectively improve the sounding precision. The influence of the real-time attitude of the sounding sensor on the sounding precision was described. The sensitivity of different underwater landforms to the sounding sensor was compared and analyzed.

Key words：precise sounding;single beam;precision factor;geomorphological sensitivity