無人船多波束測深技術在水下礙航物探測中的應用

關鍵詞：無人船多波束測深；單波束；點云；疏浚；礙航物；水下地形測量中圖法分類號：TV22 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki. slsdkb.2025.08.006文章編號：1006-0081（2025）08-0040-06

0 引言

無人船多波束測深技術是將多波束、慣性導航系統（INS）、全球定位系統（GPS）等設備集成于一體，以無人船作為載體的水下三維地理信息采集技術。無人船多波束測深技術與無人機機載激光雷達（LiDAR）技術測量的原理基本一致，可稱為“水下激光雷達”測量技術，通過多波束測深儀掃描河道水下部分，記錄反射點的位置、姿態以及反射強度等信息，從而獲取水下三維信息，后續深人加工得到所需空間地理信息[1-3] O目前，無人船多波束測深技術已成功應用于水下地形測繪、水文測驗、疏浚通航、庫容測量等領域，具有以下優勢： ① 設備輕便堅固，組裝簡單，吃水淺，撞灘可返回，適合淺灘作業； ② 相較傳統的單波束測量，無人船多波束測深技術中的面測量適用于復雜的水下地形，可提高工作效率； ③ 支持多次、高穿透回波，可更直接獲取地面點位信息； ④ 屬于非接觸式測量，降低人工深入測區的危險性； ⑤ 可快速獲取點云數據，高度還原水下地形變化； ⑥ 獲取的數據能快速生成三維模型。

礙航物為水中對船只安全航行構成威脅的物體，包括自然物體和人工物體。有學者對無人船多波束測深技術在水下礙航物探測中的應用進行了相關研究。何林焜等[1利用多波束三維聲吶檢測橋梁基礎沖刷，發現其具有監測精度高、測量周期短、過程安全等優勢。重慶市彭水苗族土家族自治縣烏江五橋建成后，殘留的直立式鋼筒和混凝土堆積物影響了船舶通行。本文以彭水五橋淺灘為研究區域，利用無人船多波束測深技術進行了水下礙航物探測，并與傳統單波束測深技術進行了對比，旨在對無人船多波束在水下礙航物探測中不同地勢中的適用性進行精度分析，為水下復雜地形測量提供參考。

1 研究區域概況

測區位于重慶市彭水苗族土家族自治縣城區，單波束測區全長 1.5km ，多波束測區位于彭水烏江五橋上下游 300m ，見圖1。河道為通航河段，河寬 200～ 300m ，測區上游至紹慶廣場，下游至烏江與郁江交匯口上游，兩岸為加固堤防陡坎。淺灘名為彭水五橋，河底有修建橋梁時的混凝土堆積物和直立式鋼筒等礙航物，對船舶的航行、停泊造成較大的威脅。測區地形較為空曠，對GNSS信號無較大影響，測量時間內波浪較小，水位變幅較緩，流速較小，測時最大水深約為13m ，對無人船的影響較小。

圖1測區范圍Fig.1 Survey area

2 研究方法與技術路線

2.1 單波束測深

單波束測深儀與聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）的原理較為相似，都是利用換能器在水中發射聲波，聲波碰到障礙反射到換能器，然后通過接收反射聲波時間差及所測水域中聲波的傳播速度計算水深，主要考慮船的吃水深度、聲速，以及來回傳播時間（圖2），計算公式為

Z=z+d

式中： Z 為水深， m;z 為換能器至河底的水深， m;d 為吃水深， m;V 為水介質內超聲波的傳播速度， m/s;T 為數字測深儀發射超聲波與接收超聲波時間差，s。

將單波束測深與全球定位系統（GPS）、慣性導航系統（INS）結合，就可以測出水下點位的三維坐標信息。

圖2單波束測深Fig.2Single-beambathymetry

2.2無人船多波束測深

無人船多波束測深技術是將多波束、慣性導航系統（INS）、全球定位系統（GPS）等設備集成于一體，以無人船作為載體的水下三維地理信息采集技術。多波束基于單波束，在同一個空間內增加多個發射聲波的端口，按照設定好的角度發射多條聲波，就能得到多條基于障礙物的反射信號。再結合時間差、聲速、多波束的掃描角度、GPS位置和慣性導航系統等信息，配合三維坐標經過軟件處理后，就會成為具有距離信息、空間位置信息等的三維立體信號[3]，見圖3。

圖3多波束測深 Fig.3Multi-beam measurements

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接收。通過發射、接收扇區指向的正交性形成對河底的照射腳印，對這些相交腳印進行恰當處理，利用信號處理方法對超聲波的數字測深儀發射超聲波與接收超聲波時間差和到達角度 θ （反向散射信號和垂直水面線方向的夾角）進行估計，結合聲速儀測得的聲速數據，由公式（3）、（2）計算得到水深值，一次就能測量成百上千的水深值。

z=VT?sinθ/（2°）

當無人船多波束探頭一次發射多束聲波，就形成了面狀點云，1s內可發射接收多次聲波，能快速收集水下地表信息。再基于特定軟件算法組合起來，系統就可以算出到線、面、體等各種相關參數，以此建立三維點云圖，再結合GPS位置和慣性導航系統，最終形成具有坐標高程的三維模型。

2.3 技術路線

無人船多波束測深技術從測量至成圖，包括4個階段（圖4）。 ① 準備階段需提前了解河道暗礁、通航情況，水下礙航物探測范圍和最終坐標系高程，現場查勘情況（GNSS信號、水面漁線網、流速、風速風向），以及規劃航線航次。 ② 數據采集階段為從無人船設備安裝至采集完畢，其中測量設置應根據現場情況（水溫、流速、吃水深度等）具體設置，采集過程中應時刻注意測量數據的穩定性，同時測量結束后檢查數據的完整性，存在缺測立即補測。 ③ 數據預處理階段主要包括水下三維模型重建、目標格式轉換、校核點精度檢驗。 ④ 數據后處理階段主要包括人工檢查去噪，后期DEM、線畫圖制作，以及庫容分析、礙航分析等。

圖4技術路線Fig.4Technology route

3數據采集及處理

3.1 數據采集

數據采集前，需收集測區的相關水文要素，實地查勘測區，了解測區的河道環境，制定相關方案。本研究利用單波束測深技術時，采用沖鋒舟掛載HY1601測深儀進行水深測量，船舶為專用測量船艇；利用無人船多波束測深技術時，采用無人船搭載NorbitiWBMS測量。在開測前，采用比測板對單波束、多波束設備進行比測，并進行聲速剖面儀的測量，使用千尋GNSS與無人船的GNSS進行比測，結果表明比測誤差均在允許范圍內。根據DZ/T0292-2016《海洋多波束水深測量規范》中吃水測量要求，將換能器放入水下，直接量取吃水深度。設置臨時水尺，使用全站儀免棱鏡法實時觀測水位的變化。

測量時段內作業環境滿足水運相關測量規范中的外業環境要求。單波束、多波束的坐標和水深比測在誤差范圍內，按規范進行相關測量工作。測量過程中需時刻注意無人船姿態及遙控器信息狀態，以及無人船周圍情況，避免船身碰到障礙物（暗礁、漁網等），提高測量安全系數；確保遙控器與無人船無遮擋，搜星數量正常，以滿足GNSS固定解狀態下的測量。測量完成后使用QPSQimera水深處理軟件進行多波束點云重建，及時檢查點云色彩質量、點云密度、缺測部分。過程中出現的絕對漏洞、相對漏洞及其他嚴重缺陷應及時補攝，漏洞補攝按原設計航線進行。

3.2 數據處理

為提高數據質量和精度，利用QPSQimera水深處理軟件對數據進行預處理和去噪處理，預處理主要包括水位改正、聲速改正、姿態修正、位置修正等。噪點和錯誤點為一些無效點，水下去噪處理時，需要軟件進行濾波處理，自動判斷大部分噪點和錯誤點后，再通過人工對水下所有點云進行仔細檢查，通過截取剖面的方法手動去除剩余噪點。利用軟件自動分析和人工檢查兩種方法去噪處理，保證點云數據精度，提高后期制圖質量[4-5]。通過 Terrasolid 軟件對導出的 las 數據進行剖面分析，對比分析坐標及高程精度。

4 精度分析

無人船多波束測深技術精度分析主要包括河道斷面分析、平面精度分析、高程精度分析等。利用單波束與多波束數據相互驗證，測量前多波束與單波束均進行坐標、高程比測，同時與比測板進行不同水深比測，合格后進行水上作業，以提高測量數據的精度。

4.1 河道斷面分析

通過單波束與多波束對河道同一橫縱斷面進行河床地形走勢變化分析，相互驗證兩種測量方法的精度。使用Terrasolid軟件的剖面分析功能，以單波束測量斷面線為準，切割多波束斷面，橫斷面比較見圖5。多波束點云密度較密，單波束點云較稀疏，但都能全面準確反映斷面地形沿著橫斷面的轉折變化，與彭水五橋淺灘水下橫斷面地形轉折一致。圖6為縱斷面比較，單波束與多波束都能全面準確反映斷面地形沿著縱斷面的轉折變化，與彭水淺灘水下縱斷面地形轉折一致，能夠反映真實的河底縱比降。從縱橫斷面來看，單波束、多波束均能真實反映水下地形地貌的轉折變化，多波束較單波束更能測得斷面細小轉折變化。

注：圖中藍色點為多波束點云數據，紅色點為單波束點云數據。

圖5橫斷面比較

Fig.5 Cross-sectional comparison

4.2 高程精度分析

使用Terrasolid軟件的點云高程檢查功能，將單波束點云作為檢驗校核點，與多波束點云進行高程中誤差檢查與高程互差分析[5-6]

圖7為測量范圍內的點云分布。可以看出，單波束點云分布均勻，多波束點云密度較密， 1m² 內的點云至少有30個，滿足內陸水域水下礙航物探測技術規程中的點云密度要求，反映出水下地形的轉折變化，能直接提取地形轉折點。相比單波束，多波束能直接反映出河床的三維地理模型，對方量、水量計算更精確。

圖6縱斷面比較

Fig.6Longitudinal profile comparison

圖7點云分布Fig.7Point cloud distribution

注：彩色圓點為單波束點云，底圖為多波束點云。

對與單波束點同位置的多波束點云進行高程中誤差計算，計算結果見表1。最大的高程偏離為 0.23m ，平均高程中誤差為 -0.0278m ，平均幅度為0.0615m ，標準偏差為 0.0765m ，均方根誤差為 0.0814m 。根據 CH/T7003-2021sin 《內陸水域水下地形測量技術規程》與 GB/T14912-2017?1：5001：10001：2000 外業數字測圖規程》，水下測量高程中誤差與測區水深有關，高程限差見表2。彭水淺灘測區水深為 10～ 20m ，限差取 ±0.20m ，因此本次測得的高程中誤差在允許范圍內。

表1高程中誤差計算Tab.1 Elevation calculation ofmedian error

對與單波束點同位置的多波束點云進行水深值偏離統計，結果見表3。從整體情況看，多波束水深偏離誤差較小， 97.3% 的水深偏離誤差絕對值小于 0.2m ，且所有水深偏離誤差小于 0.4m ，滿足 CH/T7003- 2021《內陸水域水下地形測量技術規程》規定（表4）。

表3水深偏離誤差Tab.3Depth deviation error

注：因單波束測點與多波束測點位置不匹配、數據質量不佳等原因，導致無法進行有效對比的測點，定義為無效點。

表4深度比對互差要求

Tab.4Depth comparison of mutual difference requirements1

注 _;H 單位為 m_?

4.3 礙航物探測分析

將無人船多波束測得的水下三維點云數據進行后處理，判斷水下礙航物位置，并確定其高程。結合船舶吃水深度與水位數據分析不同水位級的礙航情況，并分析需拆除的鋼筒及相應拆除高度，需疏浚的范圍及深度等。

4.3.1 水位分析

研究航段的最低水位由彭水（四）水文站歷年最低水位結合無人船測量時段的水面比降推定。表5為測量時段監測的比降水位，測量時段彭水（四）水位變化較小，比降水位受影響較小，可以滿足推求水面比降。表6為彭水（四）近幾年的最低水位，2022年12月彭水（四）水文站出現最低水位 209.99m 。

表5比降水位 Tab.5Hydraulic gradcientlevel

表6最低水位

Tab.6Minimum water level

比降計算公式：

式中： J 為水面比降； h₀，h₁，…，h_n 為自下游到上游各點的水面高程， m;l₁，l₂，…，l_n 為相鄰兩點間的距離，m;L 為總河長， m 。

計算得彭水（四）水文站至研究航段的水面比降為 0.008 3% 。取彭水（四）水文站最低水位209.99m ，河道中心線間距 2120m ，計算得研究航段最低水位為 209.81m 。下游庫區銀盤水電站正常蓄水位215.00m ，死水位 211.50m 。由于近年來烏江來水整體偏枯，銀盤水電站近年蓄水位多在 211.5m 以上。以上計算采用2022年彭水水文站最低水位209.99m ，其對應的2022年銀盤電站壩上最低水位為209.96m ，不存在倒比降的情況。

4.3.2 礙航物分析

根據航道實際通航船舶吃水深度 2.5m 及最低水位（ 209.81m ，考慮船舶航行時存在的尾傾現象，船尾吃水深度會加大，需預留 30～40cm 深度保證通航安全，判斷河底高程 206.91m 以下為可通航區域。

尤其需要注意的是，基于該航道河段多年實際使用情況，未拆除臨時工程的影響對河段通航性潛在影響較大。根據實際測量成果，發現水下未拆除鋼筒共計8根，分為4組，沿彭水五橋分布，均位于靠近左岸的橋孔之下。每組均有兩根鋼筒，沿流向方向排布。各組鋼筒之間距離約 32m ，各組內兩根鋼筒間距約5m 。將4組鋼筒由左岸向右岸方向依次編為第1，2，3，4組，每組2根，鋼筒頂點高程除第一組為 209.32m 外，其余各組管頂高程均為 207.64m 。河底高程206.91m 以下為可通航區域，4組鋼筒均會對通航產生影響。

根據多波束點云三維圖判斷，靠近左岸橋孔下河床除未拆除鋼筒外，鋼筒基底固定的混凝土錐體亦會影響通航。第3，4組鋼筒之間區域河床高程目前不能滿足船只安全通航（低于 206.91m ）要求，其余兩組鋼筒周邊也有部分區域河床高程超過 206.91m 。根據單波束測量結果繪制河床地形圖，對上述結果進行驗證，左側橋孔超過 206.91m 的區域主要分布在橋墩與第3，4組鋼筒之間區域，與多波束方法測量結果相同。鋼筒 1-2，2-1，3-2，4-1 較為清晰（圖8），各組對應另外4根鋼筒拆除剩余高度較低。左岸橋下部分整體高程較高，但根據地形圖，該部分高程未能滿足最低水位（ 209.81m ）通航要求。

注：圖中數字為鋼筒編號。

圖8多波束點云三維圖

Fig.83Dmapof multi-beampoint cloud

本次測量分析重點為彭水五橋左岸橋孔未拆除臨時工程是否影響航道通航。經過分析，左側橋孔在將剩余臨時工程拆除至 206.91m 之前暫不具備通航條件。目前礙航的鋼筒頂端高程最高為 209.32m ，最低為 207.64m ，分別需向下拆除 2.41m 和 0.73m 。并需對靠近彭水五橋河道中心橋墩的兩組鋼筒之間的區域進行一定的疏浚，疏浚深度根據該區域水下實測點高程判斷，平均為 0.10m 。

5 結論及建議

5.1結論

本文利用單波束測深技術和無人船多波束測深技術對彭水五橋淺灘礙航物進行分析，得出如下結論。

（1）無人船多波束測深技術能高分辨、高效率、高精度采集水下點云數據，在礙航物疏浚測、方量計算方面優于單波束測量技術。（2）多波束能重建數字三維模型，實現水下三維可視化，能判斷水下物體位置、高程、大小。（3）相較于傳統的單波束，多波束測量速度更快、精度更高，更能適用于測量較困難的水下陡坎、亂石坑等環境。

（4）多波束點云數量及精度均滿足內陸水域水下礙航物探測技術規程和多波束測量技術規范要求，滿足1：500測量技術要求，可用于河道水下礙航物探測。

5.2建議

（1）為提高數據精度，無人船多波束作業之前應進行聲速測量、水溫測量，與測深桿及單波束進行水深比測，同時比測坐標精度。

（2）彭水五橋未拆除臨時工程埋設的鋼筒影響航道通航。結合鋼筒分布位置，彭水五橋橋下河道靠左岸橋孔下不能通航，建議按右孔通航。

（3）建議在烏江水位下降，鋼筒底部露出時，對鋼筒進行拆除，需拆除至 206.91m 以下才能保證該橋孔能滿足實際通航需求。此外需對橋孔下河道進行一定的疏浚，疏浚深度平均為 0.1m 。

（4）在水下數據處理方面，應根據實景三維模型，手動添加軟件識別不出及地形轉折變化大的點，有利于地形圖繪制和數據后期處理及評判的依據。（5）測量時無人船船速不能過快，避免GPS延遲以及吃水深度的改變。無人船多波束應選擇波浪較小時測量，同時注意橫搖、縱搖、首向等偏差的校正。

（6）對于停靠船只無法測量的區域，可采用側掃雷達測量，或是等船離開按原航線進行測量。

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（編輯：江文）

Application of multi - beam bathymetry technology of unmanned ship in detection of underwater navigational obstacle

TU Jianglin，WANG Junping，WANG Yunfeng，SHI Gaoyang，FU Liya，NIU Rui （UperCangangRierureauofrologcalndWaterRsoucesureyreaofHdolgyfagangWaterRoo mission，Chongqing 408000，China）

Abstract：Inorder tostudy theapplicabilityof unmannedship multi-beam bathymetrytechnologyinunderwater navigational obstacledetection，taking theunderwaterobstacle detectionof Wuqiao shoalinPengshui Miao Tujia Autonomous County，Chongqing as anexample，QPS Qimera and Terrasolid software wereused fordata acquisition and processng，and theerrorof unmanned ship multi-beam point cloud data was compared with thetraditional single-beam measurement data.The plane accuracy and elevation accuracy of the unmanned ship multi -beam bathymetry results were analyzed. Combined withthe ship'sdraftand waterlevel data，thenavigationalobstaclesatdiferent waterlevels wereanalyzed. Theresults showed that the mid -elevation eror of the multi -beam bathymetry resultsof the unmanned ship was -0.0278m ，the maximum water depth deviation error was ±0.23m，and 97.3% of the water depth deviation error absolutevalueswerebelow 0.2m ，whichmet the requirementsof the code.The left bridge holeof Wuqiao inPengshui does nothave the navigationconditionsforthetime being，andthe highestelevationof thetopof the steel cylinder that obstacle to navigation is 209.32m ，the lowest is 207.64m ，and it needs to be removed 2.41 m and 0.73m downwards， respectively.According to the elevationof theunderwater measurement point in thisarea，itisnecesary to dredge the average depth of 0.10m in the obstruction area. The unmanned ship multi -beam bathymetry technology can be applied to the detectionof underwater obstructions in shallow waterareasandcanbe safer，fasterand more reliable compared with the traditional measurement methods.

Key words：unmanned ship multi-beam bathymetry technology；single beam；point cloud；dredging；navigational obstacle;underwater terrain survey