多波束測深技術在水利測繪中的應用

摘要：水利測繪是組織水利工程建設、了解區域自然條件的關鍵手段，這要求改善工作水平，并從技術角度尋求更多突破。以多波束測深技術在水利測繪中的應用優勢為切入點，在此基礎上，分析其應用方法，就坐標系建設、歸位分析、參數校正等主要環節進行論述，最后，簡單展望多波束測深技術在水利測繪中的未來應用，以有效呈現技術優勢、特點，服務水利測繪活動。

關鍵詞：多波束測深技術"水利測繪"坐標系"參數校正

Application"of"Multibeam"Bathymetry"Technology"in"Water"Conservancy"Surveying"and"Mapping

CHANG"Zhengke"GUO"Zhenzhen

Yellow"River"Hydrological"Survey"and"Mapping"Bureau，"Zhengzhou，"He’nan"Province，"450000"China

Abstract："Water"conservancy"surveying"and"mapping"is"a"key"means"of"organizing"water"conservancy"engineering"construction"and"understanding"regional"natural"conditions，"which"requires"improving"work"level"and"seekingnbsp;more"breakthroughs"from"a"technical"perspective."Starting"from"the"application"advantages"of"Multibeam"Bathymetry"technology"in"water"conservancy"surveying"and"mapping，"on"this"basis，"this"paper"analyzes"its"application"methods，"discusses"the"main"links"of"coordinate"system"construction，"positioning"analysis，"and"parameter"calibration，"and"finally"briefly"looks"forward"to"the"future"application"of"Multibeam"Bathymetry"technology"in"water"conservancy"surveying"and"mapping，"in"order"to"effectively"present"technical"advantages"and"characteristics"and"serve"water"conservancy"surveying"and"mapping"activities.

Key"Words："Multibeam"Bathymetry"technology;"Water"conservancy"surveying"and"mapping;"Coordinate"system;"Parameter"calibration

多波束測深技術屬于一種測繪技術，主要采用廣角度發射和多信道定向接收獲得水下高密度條幅式水底地形數據。因其覆蓋能力強且能夠同步組織多波束作業，往往可以短時間內獲取比較精準的原始信息，提供高質量的測繪服務。在各地水利工程中，多波束測深技術的應用比較廣泛，可以獲取較理想的預期成果[1]。考慮到未來水利工程建設、資源調查對探測信息的高依賴性，分析多波束測深技術在水利測繪中的應用優勢、方法等內容具有一定的積極意義。

1"多波束測深技術在水利測繪中的應用優勢

1.1精度高

在水利測繪中，多波束測深技術的主要優勢在于精度較高。從一般原理上看，多波束測深技術沒有脫離波束探測的基本范疇，仍以聲波為工具，但由于該技術下工作設備（一般由船只裝載）能夠完成多聲波的同步作業，在同一空間范圍內快速實時進行原始信息采集，顯著提升了信息采集的范圍效應和準確性，進而保證了作業精度[2]。此外，現代化的傳感設施、定位系統、計算機設施也進一步為多波束測深技術的運用提供了支持，能夠完成短時間內復雜數據的快速加工處理。在海洋水利工程探測活動中，其精度已經可以控制在10"m以內，成果理想[3]。

1.2效率理想

多波束測深技術在水利測繪中的應用也具有效率較高的優勢。傳統的波束探測技術主要面臨精度、成本二者難以兼顧的問題。采用窄波束技術或加密測線的情況下，雖然探測精度較高，但帶來了成本壓力，探測工作的時間成本也較高。采用多波束測深技術，能夠利用不同波束進行信息采集，面向相同空間范圍內的不同目標、不同小空間獲取原始信息，多方向的采集作業是同步進行的，能夠控制時間成本，保證測繪精度的同時，優化了作業效率[4]。

1.3適用范圍廣泛

從適用性上看，多波束測深技術能夠滿足大部分區域、大部分水利工程測試工作、大部分資源探測工作的一般需求，這意味著其在適用性方面具有一定優勢。例如：針對近海大陸架、內湖深水區組織的水利測繪，在水深、水質等主要環境因素差別不大的情況下，可以采用相同或基本相同的作業模式，減少或避免重復進行工作系統設計、建設的困擾[5]。應用于多波束測深技術的絕大多數設施和工具可以重復應用，其測繪結果也可以重復用于測繪有關活動，發揮延伸服務作用。

2"多波束測深技術在水利測繪中的應用方法

2.1早期準備

多波束測深技術在水利測繪中的應用以早期準備工作為基礎，主要包括測繪區域基本信息分析、水下環境研究、設施準備、船只準備等。目前，多波束測深技術主要以探測船只為載體，需要以船只搭載工作設備采集有關數據。早期工作應做好船只、聲波發射和接收器準備，確保船只行駛控制能力理想、設施功能無異常；同時了解水下基本環境，確保其符合多波束測深技術的應用需要，規劃合理的探測方案、路徑，規避礁石、水下干擾源等影響測繪精度的區域，形成完善的工作方案，指導后續測繪工作。

2.2坐標系建設

在嘗試發揮多波束測深技術的優勢組織水利測繪時，要求根據技術特點首先進行探測空間范圍內的坐標系建設。該坐標系一般以測繪范圍為基準，以相對不變的物體為參考（如船只），為廣角度發射、多陣列信號定向接收形成的信息網絡提供定位方面的支持，以便同步完成多波束信息的加工（如圖1所示）。

具體工作中，可以根據圖1所示原理，以船只橫向左舷（波束1所在方向）為X軸，以船只縱向船頭方向（波束2所在方向）為Y軸，以鉛垂向下為Z軸。此模式下，主要默認波束系統的換能器相對船只位置固定，以船只作為參考物，將換能器的對稱中心作為坐標系原點。船只的位置實際上與換能器同步變化，但由于二者的變化形式、方向、規模完全相同，可以默認在某一個時間節點內反而是固定不變的，在此條件下建設的坐標系也僅用于表達該時間節點條件下目標區域的測繪結果信息。該信息是二維化的，通過多信息組合形成立體三維化的測繪結果后，可用于后續另類關聯工作。實際工作中，如果使用了非船只搭載的工作系統，則不能應用此方式，需要重新選定具有相對不變特點的物體作為參考物，建設新的坐標系。

2.3有效組織歸位

在應用多波束測深技術組織水利測繪時，需要加強歸位工作。該工作主要強調根據坐標系的建設結果、測深工作的具體信息進行變量處理，將不同時間節點下獲取的靜態信息轉化為三維立體化信息，形成便于應用的結構化測繪成果。

在船只搭載設施進行測繪的情況下，一般需要考慮船位、航向、船姿、聲波傳播時間等4個核心要素，并考慮介質成分的影響。其中，聲波傳播時間帶有一定的動態性。由于測深區域的水底情況不同，所以其深度往往是不同，波束到達角和波束旅行時也多存在差異。為保證歸位工作質量，可以采用以下方法進行處理。

一是以船只參考系的波束到達角為基礎，計算其具體數值（數值1），并確定該波束被接收時的船姿參數，將數值1轉化為垂直參考系下的波束到達角。此方式的優勢在于原理簡單、方式明確，但不能妥善考慮其他次要因素的影響，可能產生較多誤差。

二是以船位、航向等靜態信息為基礎，計算聲學投射平面內的側向中心距離數值（數值2），建設大地參考坐標系統，將數值2轉化為平面坐標進行歸位。該方式也可能產生一定誤差，對動態因素的控制能力不強。

三是確定聲波的投射平面范圍、垂直參考系有關參數，對波束到達角、旅行時進行分析，計算波束測點的側向中心距離（數值3）、換能器以下的水深參數（數值4），計算數值3和數值4的差異，以評估動態可能造成的影響。因為不同波束的工作存在少許時間差，所以，這一方式可以根據時間差進行參數誤差控制，以提升歸位精度，但計算工作量較大，復雜性偏高。

2.4信息存儲與復用

在水利測繪過程中應用多波束測深技術的情況下，需要對各類原始信息、進階信息進行讀取、加工和記錄，并做保存和復用。原則上，所有同一時間節點內形成測深數據形成的二維平面圖，對多個二維平面圖進行處理，可以形成三維化的模型圖。僅以測深為目標，也可以不做三維化處理，對二維信息進行整合，形成測深文件即可。原則上，主張對測深結果進行數字化處理，存儲于云空間、便攜式設備或電子計算機數據庫中，以便后續調取、查看和使用。

3"多波束測深技術在水利測繪中的應用展望

3.1智能作業

未來，可以借助智能技術，提升多波束測深技術在水利測繪中的應用效果。以上文所述的橫搖偏差校正為例，在組織測深過程中，可以建立虛擬工作系統。該系統利用智能技術、水準儀等進行工作，當船只出現橫擺、位置偏移問題，或者設施安裝不能達到水平要求時，由虛擬工作系統給出提示和糾正意見，工作人員根據有關信息進行校正，更改船只和工作設備的位置，使橫搖偏差得到控制，改善多波束測深技術所獲數據的精準度，優化其在水利測繪中的應用質量。

3.2模型測繪

模型測繪主要建議加強多波束測深技術工作資料的復用，收集成熟的技術方法及作業機制和參數，并以信息化方式保留，形成完善的工作模型，如偏差糾正、航速航向控制等，形成比較完善的技術標準，在組織水利測繪時代入該模型，以改善早期工作效率，提升測深工作的規范性。

3.3介質影響分析與控制

海水、河水和湖水的成分各有不同，水內的一些成分影響聲波傳播，進而影響多波束測深技術在水利測繪中的應用效果，降低測深工作精度。未來，在組織測深工作開始前，可以采集測深范圍內的水樣，分析其成分，建立補償機制，根據水樣特點分析偏差水平，獲取一個固定參數歸入測深工作原始信息中，用于糾正測深產生的偏差。

4結語

綜上所述，多波束測深技術在水利測繪中的應用具有精度高、效率理想等方面的優勢，適用范圍也比較廣泛，應在具體工作中予以更多關注。在實際工作中，應根據測試需要做好準備工作，之后，通過坐標系建設、歸位組織、參數校正等工作獲取可靠的測繪結果，并做存儲、復用。為了進一步提升該技術的應用效果，未來，可以嘗試引入智能技術、模擬分析法提供輔助，設法控制介質因素的一般影響，提升水利測繪工作的總體水平。

參考文獻

[1]任扣清，劉磊，郁皓杰.多波束測深儀在超淺水域的應用分析[J].現代測繪，"2024，47（1）：48-50.

[2]劉定寧.無人船多波束測深技術在拋石護岸工程評價中的應用[J].廣東水利水電，2024（1）：93-96，105.

[3]于家成，姜凱文，趙紅穎.地形導航多波束測深綜合效應的鄰域改正技術[J].全球定位系統，2023，48（6）：52-57.

[4]蔡濤濤.基于FPGA的多波束合成孔徑聲吶信號采集處理系統設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2023.

[5]張萬遠.基于多波束測深聲吶的泄漏氣體檢測與量化技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2023.