多波束測(cè)深系統(tǒng)在水庫(kù)測(cè)量中的應(yīng)用

陳寶枝，陳 科，李正品，鄭 江

（1.中國(guó)水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 測(cè)繪地理信息分院，云南 昆明 650041）

多波束測(cè)深系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子技術(shù)、材料科學(xué)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、數(shù)字化傳感器等多種技術(shù)的集成，是當(dāng)代海洋測(cè)繪的一種高精度全覆蓋集成式的測(cè)深系統(tǒng)[1]。多波束測(cè)深系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)單波束以點(diǎn)為基礎(chǔ)的離散式的作業(yè)模式，而代之以空間面為基礎(chǔ)的立體式作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)了立體測(cè)圖、智能處理以及自動(dòng)化成圖，使海洋測(cè)量技術(shù)發(fā)展到一個(gè)較高的水平[2]。近年來(lái)，多波束測(cè)深系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于水下地形觀測(cè)、水下建筑物安全監(jiān)測(cè)、泥沙運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)災(zāi)害、庫(kù)容分析等新興領(lǐng)域。筆者結(jié)合多年水庫(kù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作性能，分析了運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量的原理和方法，以及在水庫(kù)測(cè)量中的綜合應(yīng)用。

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成及性能

多波束測(cè)深儀主要由“干端”部件和“濕端”部件組成[3]。“干端”部件包括聲納接線模塊、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)；“濕端”部件為接收/發(fā)射換能器。多波束測(cè)深系統(tǒng)基本由3部分組成：一是實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，主要包括多波束測(cè)深儀、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件等；二是輔助系統(tǒng)，包括GPS定位和授時(shí)系統(tǒng)、羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器、聲速剖面儀等；三是數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、編輯、處理、轉(zhuǎn)換、輸出、成圖等一系列軟件。

多波束測(cè)深儀通過換能器陣，運(yùn)用相位檢測(cè)原理（相干法），對(duì)聲源陣中不同基元接收到的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔换驎r(shí)間延遲，形成多個(gè)不同角度的波束。聲源個(gè)數(shù)越多波束越窄，即換能器越大波束角越小。多波束測(cè)深系統(tǒng)通過不同傾角的波束，實(shí)現(xiàn)了豎直面立體式的測(cè)量，彌補(bǔ)了單波束回聲測(cè)深儀測(cè)深的片面性和四波束測(cè)深的低效率，也彌補(bǔ)了側(cè)掃聲納、軟硬式拖底掃海深度值的不準(zhǔn)確性[4]，極大地提高了測(cè)量效率，具有水深全覆蓋無(wú)遺漏掃測(cè)，測(cè)量范圍大、速度快，測(cè)深精度和分辨率高，記錄數(shù)字化和實(shí)時(shí)自動(dòng)繪圖等優(yōu)點(diǎn)[5]。

2 影響多波束測(cè)深精度的因素

由于多波束測(cè)深系統(tǒng)是在不斷運(yùn)動(dòng)著的測(cè)量船只上進(jìn)行的，對(duì)于水下某一特定點(diǎn)而言，無(wú)法進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，故不能通過傳統(tǒng)的平差方法來(lái)提高精度[6]。另一方面，測(cè)量系統(tǒng)中的每一種傳感器（定位、深度、起伏、縱橫搖、航向、海底特征要素、水聲參數(shù)、潮汐換算等）和數(shù)據(jù)換算模型均具有各自的誤差特性[7]。因此，要提高多波束測(cè)深系統(tǒng)的精度，就必須對(duì)各種因素進(jìn)行分析，合理地利用數(shù)據(jù)處理模型，對(duì)水深觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。

多波束測(cè)深系統(tǒng)的誤差源主要由4個(gè)方面組成，見表1。系統(tǒng)安裝誤差以及參數(shù)改正誤差對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)精度的影響是“固定的”，如系統(tǒng)安裝誤差、吃水改正、聲速剖面改正、潮位改正、羅經(jīng)校正等是可以通過參數(shù)改正等手段進(jìn)行“補(bǔ)救”的；而運(yùn)動(dòng)傳感器自身運(yùn)動(dòng)（震動(dòng)）、船只震動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q能器震動(dòng)、GPS可變定位誤差等導(dǎo)致的測(cè)深誤差是“可變的”，由這些因素引起的精度損失是“不可補(bǔ)救”的。因此，在給定的多波束測(cè)深儀器和其他各類輔助設(shè)備的前提下，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行必要的改正是提高多波束測(cè)深精度的重要環(huán)節(jié)，而能否把“不可補(bǔ)救”誤差因子對(duì)精度的影響控制在合理范圍內(nèi)是多波束測(cè)深成果質(zhì)量的關(guān)鍵。

表1 多波束測(cè)深系統(tǒng)主要誤差因子分析統(tǒng)計(jì)表

3 實(shí)例分析

自2010年購(gòu)入Sonic2024多波束測(cè)深系統(tǒng)以來(lái)，我院已承擔(dān)多個(gè)數(shù)字化水庫(kù)測(cè)量項(xiàng)目，目前已完善了水下地形測(cè)量的一整套生產(chǎn)流程，包括從數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)處理、三維場(chǎng)景制作以及空間分析等，積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

3.1 測(cè)線布設(shè)

根據(jù)《海道測(cè)量規(guī)范》的要求，多波束測(cè)量的航跡線原則上應(yīng)布設(shè)成平行于等深線[8]。水庫(kù)在原河流段的地形特點(diǎn)是中央深，兩岸淺，這時(shí)測(cè)線一般布設(shè)成平行于河道。同時(shí)考慮到水深和最大波束角度，測(cè)線之間應(yīng)有一定的覆蓋寬度，針對(duì)不同的工程應(yīng)用需求以及不同的儀器特點(diǎn)和不同的技術(shù)規(guī)范要求，應(yīng)充分考慮相鄰測(cè)線的重疊度。因此，測(cè)線間距應(yīng)視測(cè)量船只、海底地形、作業(yè)目的及儀器標(biāo)稱精度等多種因素綜合考慮[9]。另外，為了保證對(duì)水下目標(biāo)地物進(jìn)行全覆蓋無(wú)遺漏測(cè)量，應(yīng)合理地控制船速以及換能器的發(fā)射功率。

3.2 參數(shù)改正及數(shù)據(jù)剔除

正確地測(cè)定船姿的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及船姿與換能器之間的關(guān)系，對(duì)于保證多波束野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，提高多波束測(cè)量精度是非常有益的[10]。因此，開展任何一個(gè)多波束水下測(cè)深項(xiàng)目，都必須對(duì)各套儀器設(shè)備進(jìn)行參數(shù)測(cè)定，主要包括：橫搖偏角、縱傾偏角、時(shí)間延遲、航偏角。另外，在以上4項(xiàng)參數(shù)測(cè)定前，還需要做聲速剖面校正[11]。

多波束測(cè)深儀采集的是海量的空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中包含著因各種誤差因素引起的噪聲和錯(cuò)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)后處理過程中必須剔除這些數(shù)據(jù)。剔除方法主要有2種：曲面擬合法和投影法[12]。曲面擬合法是基于中央波束點(diǎn)集建立噪聲誤差模型，用曲面擬合海底地形，將曲面之外的數(shù)據(jù)視為躍點(diǎn)，采用人機(jī)交互或自動(dòng)將其剔除。投影法是在三維空間內(nèi)將測(cè)線投影到某一個(gè)視圖平面，對(duì)每條測(cè)線進(jìn)行編輯，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以結(jié)合多視圖、地形特征、相鄰測(cè)線比對(duì)等綜合因素進(jìn)行編輯。

經(jīng)過上述參數(shù)改正及數(shù)據(jù)剔除之后，所測(cè)數(shù)據(jù)能更為客觀地反映真實(shí)的水深值。為了驗(yàn)證參數(shù)改正及數(shù)據(jù)剔除的效果，筆者首先將每條測(cè)線所測(cè)數(shù)據(jù)單獨(dú)擬合成曲面模型，然后隨機(jī)地對(duì)地形曲面重疊區(qū)域采集了500對(duì)水深值樣本點(diǎn)。通過統(tǒng)計(jì)分析500對(duì)水深值之間的差值及其概率分布情況（見表2）可知，參數(shù)改正結(jié)果較為有效，特別是消除了橫搖對(duì)地形測(cè)量誤差的影響。從圖1可以看出，不同測(cè)線擬合的地形曲面間差值在0.1 m以內(nèi)，考慮到由水深數(shù)據(jù)生成地形曲面是一個(gè)近似逼近的過程，因此可以相信，不同測(cè)線所測(cè)深度值的誤差也在0.1 m以內(nèi)，已完全滿足規(guī)范和生產(chǎn)要求。

表2 重疊區(qū)域不同測(cè)線所測(cè)深度值差值的概率分布

圖1 重疊區(qū)域不同測(cè)線所測(cè)的深度值

3.3 成果制作

多波束測(cè)深系統(tǒng)的成果極其豐富，包括三維點(diǎn)云、水下地形等深線圖、各類柵格圖、數(shù)字高程模型、三維立體模型、聲納影像等高技術(shù)產(chǎn)品。在經(jīng)過參數(shù)改正、數(shù)據(jù)剔除等內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，可根據(jù)工程應(yīng)用需要生成不同類型、不同格式、不同坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是經(jīng)數(shù)據(jù)處理后最原始的數(shù)據(jù)形態(tài)，由海量的包含三維坐標(biāo)信息的點(diǎn)組成。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以生產(chǎn)其他各類數(shù)據(jù)，如等深線數(shù)據(jù)、剖面圖、DEM和三維立體模型等（見圖2）。

圖2 不同形式的水庫(kù)應(yīng)用成果

利用多波束測(cè)深系統(tǒng)所獲取的多期水下三維信息，可以建立水下地形數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅可查詢不同時(shí)期的庫(kù)容量，而且可利用不同時(shí)期不同的水下三維地形模型，計(jì)算泥沙淤積量，并可模擬泥沙動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以此來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的庫(kù)容變化情況。

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