多波束在秦皇島燕塞湖庫區(qū)水下三維地形測量中的應(yīng)用

李冬，楊紹海，任曉東

（天津海事局海測大隊 天津 300222）

多波束在秦皇島燕塞湖庫區(qū)水下三維地形測量中的應(yīng)用

李冬，楊紹海，任曉東

（天津海事局海測大隊 天津 300222）

介紹利用多波束對秦皇島燕塞湖庫區(qū)水下地形探測的方法，采用OMINISTAR星站差分GPS定位，庫區(qū)設(shè)立多個水文站實時人工驗潮、測深精度嚴格控制等方法，使多波束對測區(qū)進行全覆蓋、無遺漏、高精度和高效率的掃測。掃測結(jié)果讓我們對測區(qū)內(nèi)的水深狀況有了一個比較全面的了解，確定了庫區(qū)水域內(nèi)的最淺水深，保證了旅游船航線水域水下地形資料的完整，為秦皇島燕塞湖庫區(qū)提供了真實可靠的水深數(shù)據(jù)，完善了救援預(yù)案，為旅游船舶航行安全提供了詳實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

燕塞湖；多波束；人工驗潮；GPS

近年來，為了滿足民用海洋工程以及戰(zhàn)場準備等海洋研究工作對海底地形資料日益增長的需要，各發(fā)達國家競相研制各種新型的海底地形測量設(shè)備，主要目的是解決全覆蓋問題和提高測深效率，加快測深速度。多波束測深系統(tǒng)（又稱高精度海底地形測繪聲納）作為高效率、高精度和高分辨率的一種船載海底地形測繪設(shè)備受到了普遍的重視。在秦皇島燕塞湖旅游風(fēng)景區(qū)，為了滿足景區(qū)在不斷開發(fā)和完善下的迅速成長，需要完善庫區(qū)水下地形的基礎(chǔ)資料，保障游客乘坐環(huán)保游船在15 km湖區(qū)旅游的安全。

1 工程概況

受秦皇島海事局山海關(guān)海事處委托，天津海事局海測大隊于2009年5月對秦皇島燕塞湖庫區(qū)航道進行了多波束全覆蓋掃測，制作了秦皇島燕塞湖庫區(qū)水下三維地形圖，以確定庫區(qū)航道水域內(nèi)現(xiàn)勢水深和障礙物情況。為庫區(qū)旅游船航線水域提供真實可靠的水深數(shù)據(jù)，保證旅游航線行船安全，完善了救援預(yù)案。

圖1 秦皇島燕塞湖庫區(qū)多波束水下地形測量范圍示意圖

2 儀器設(shè)備

2.1 定位儀

采用OMINISTAR星站差分GPS定位儀。

2.2 多波束系統(tǒng)

采用ODOM ES3型多波束系統(tǒng)

頻率：240 kHz

掃測寬度：120°×3°發(fā)射，120°×3°接收

有效波束寬度：窄0.75°，中1.5°，寬3.0°

波束數(shù)量：480、240、120

測距分辨率：0.02%倍量程

量程：5 m～60 m

口頭述職完成后，李興軍的神情又緊張了起來，手不自覺地攥緊了一些，對在上一屆已參加了兩次述職的“老”代表來說，他知道下一個環(huán)節(jié)就是選民提問和評議?！班l(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院長期以來積累下來的效率不高、活力不足、醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量不高的狀況還沒得到根本改變，現(xiàn)在解決得怎么樣了？”選民代表、寺頭村村民張玉慶開門見山地問道?！拔益?zhèn)是山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，條件落后，近幾年院里年輕專業(yè)人才招不來、留不住，你是否向上級部門反映過？”選民代表、醫(yī)院職工馮永紅接著提問……李興軍代表臉紅冒汗，一邊聽，一邊用筆快速地記錄問題，向選民一一作出答復(fù)。“現(xiàn)場回答選民的提問，壓力很大，也感受到了人大代表為選民代言、為選民辦事的責(zé)任?！崩钆d軍感慨道。

最小可探測到的距離：0.5 m（換能器以下）

脈沖重復(fù)次數(shù)（PRF）：12 Hz在20 m斜距（受制與處理器速度和選擇的波束數(shù)量）

2.3 姿態(tài)傳感器和SVP3417聲速剖面儀系統(tǒng)

HEAVE精度：5 cm或5%（最高值），分辨率：1 cm；量程：±10 m

ROLL、PITCH精度：0.01°，分辨率：0.01°；量程：±30°

采樣率：最快8幅/s，工作深度：8000 m

聲速傳感器：量程1 400 m/s～1 600 m/s，精度優(yōu)于0.06 m/s，分辨率0.015 m/s

溫度傳感器：量程-2℃～32℃，精度±0.005℃，分辨率0.001℃，響應(yīng)時間為10 ms

壓力傳感器：精度為滿量程的0.15%，分辨率為滿量程的0.005%，響應(yīng)時間10 ms

3 方案設(shè)計

3.1 潮位控制

使用秦皇島燕塞湖庫區(qū)水文站原有水尺進行實時人工驗潮。原水尺大沽基面高程符合本次測量規(guī)范要求，每30 min觀測一次水位，測量時使用實時人工觀測水位對測量數(shù)據(jù)進行單站改正。由于該水文站水位隨季節(jié)變化較大，共在測區(qū)設(shè)立10個水尺，水尺上標注水尺零點高程。潮位站的位置示意圖見圖2。

3.2 測線布設(shè)

根據(jù)多波束測深系統(tǒng)采用的寬深比指標和測區(qū)內(nèi)水深情況，多波束掃測布線間距依測量區(qū)域的水深變化而變化，最小測線間距為5 m，最大測線間距為20 m。測線依航道中心向兩側(cè)布設(shè)。淺點復(fù)掃時，測線走向及間距根據(jù)測區(qū)內(nèi)的水深變化情況決定。測深線布設(shè)方向應(yīng)按工程的需要選擇平行于等深線的走向、潮流的流向、航道軸線方向或測區(qū)的最長邊等其中之一走向布設(shè)。

圖2 潮位站位置示意圖

4 組織實施

4.1 多波束安裝調(diào)試

ODOM ES3型多波束測深系統(tǒng)安裝在“興湖一號”旅游船上，ODOM ES3多波束測深系統(tǒng)采用船頭固定安裝方式；GPS定位儀安裝在船的主駕駛倉上；光纖羅經(jīng)安裝在船體中軸線上；ODOM單波束測深儀安裝于船舷左側(cè)，各儀器安裝示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 儀器安裝位置俯視圖

圖4 儀器安裝位置側(cè)視圖

4.2 數(shù)據(jù)采集

因為多波束測深系統(tǒng)工作原理比較復(fù)雜，為保證測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度，在實施外業(yè)測量前考慮以下影響因素并采取了相應(yīng)措施：由于多波束對天氣等外界因素的要求嚴格，所以掃測前注意收聽天氣預(yù)報，保證測繪人員、測繪設(shè)備的安全和測繪成果質(zhì)量符合規(guī)范要求。測量過程中，測量船配載保證穩(wěn)定，每日檢查探頭的吃水變化，保證系統(tǒng)的水平穩(wěn)定性。工作人員工作時做好實時記錄。必須實時監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量及水深變化，記錄實時天氣、過往船只、周圍環(huán)境變化等各種影響測量質(zhì)量的因素，用于后處理時判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量，以便發(fā)現(xiàn)問題，查找原因。對于不符合要求的數(shù)據(jù)，均進行了返工補測。

4.3 聲速測量

聲速每兩天測量一次，保證了聲速改正的正確。

4.4 數(shù)據(jù)處理

多波束數(shù)據(jù)在處理之前，先檢查數(shù)據(jù)處理軟件中設(shè)置的投影參數(shù)、橢球體參數(shù)、坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)、各傳感器的位置偏移量、系統(tǒng)校準參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的準確性。結(jié)合《多波束測深系統(tǒng)外業(yè)測量記錄》，根據(jù)需要對水深數(shù)據(jù)進行聲速改正、水位改正；應(yīng)對每條線的定位數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)分別進行編輯。根據(jù)海底地形、各波束測得的水深數(shù)據(jù)的質(zhì)量選擇合理的參數(shù)濾波，然后進行人機交互處理。對于無法判斷的點應(yīng)從作業(yè)水域、回波個數(shù)、信號質(zhì)量等方面進行分析。在數(shù)據(jù)經(jīng)過編輯及各項改正后，應(yīng)再次對所有的水深數(shù)據(jù)進行綜合檢查，根據(jù)各水深的傳播誤差及相連的水深利用表面模型進行評估，剔除不合理水深。使用海測大隊編制的數(shù)據(jù)后處理軟件“海測之星”進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，水深數(shù)據(jù)按照規(guī)范要求進行篩選。根據(jù)制圖比例尺和數(shù)據(jù)用途對水深數(shù)據(jù)進行處理，并繪制水下三維地形圖。

5 結(jié)語

通過多波束在秦皇島燕塞湖庫區(qū)水下三維地形測量的實際應(yīng)用可知：多波束測深系統(tǒng)獲得的高密度條帶式水深數(shù)據(jù)能滿足大比例尺水下地形測量的要求，可以繪出高分辨率高精度的水下地形圖。本次對秦皇島燕塞湖庫區(qū)水域進行的多波束全覆蓋掃測，通過掃測分析得出了合理的探測結(jié)論，提供了三維影像動態(tài)演示系統(tǒng)和水下三維地形圖，為秦皇島主要水源庫區(qū)容量測算和旅游船舶安全監(jiān)管提供了可靠依據(jù)，為該區(qū)域航政管理提供了重要的基礎(chǔ)資料。

[1]朱慶，李德仁.多波束測深數(shù)據(jù)的誤差分析與處理[J].武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報，1998，23（1）：1-4.

[2]黃謨濤，翟國君，管錚.多波束測深技術(shù)研究進展與展望[J].海洋測繪，2000（3）：2-7.

[3]李家彪.多波束勘探原理技術(shù)與方法[M].北京：海洋出版社，1999.

[4]GB 12327-1998.海道測量規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，1999.

[5]邊少鋒，李文魁.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

2012-01-05