川江航道多波束測量技術研究

汪劍橋

摘 要：本文基于筆者多年從事航道測量的相關工作經驗，以SEABAT8101多波束測深系統(tǒng)在川江航道測量中的應用為研究對象，論文首先分析了多波束測量的優(yōu)勢，進而探討了多波束測深系統(tǒng)安裝測試方法，定位導航實施方法，及測量步驟與數(shù)據(jù)處理思路，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：多波束測深系統(tǒng) 航道 數(shù)據(jù)處理 導航

中圖分類號：U612 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0040-02

多波束測深系統(tǒng)以其全覆蓋、無遺漏的測量方式，能完成全覆蓋水深測量、航行障礙物探測，在效率、精度、分辨率與水下地形成圖質量上有了大幅度提高，整個系統(tǒng)從外業(yè)到內業(yè)全過程真正實現(xiàn)了自動化、智能化和數(shù)字化，徹底改變了傳統(tǒng)的水下測量技術，具有廣闊的應用前景。

1 多波束測量的優(yōu)勢

與單波束相比，多波束具有無可比擬的先進性。主要體現(xiàn)在：（1）測量以帶狀方式進行，波束連續(xù)發(fā)射和接收，測量覆蓋程度高，對水下地形可100%覆蓋，與單波束比較，波束角窄，對細微地形的變化都能完全反映出來，單波束是點、線的反映，而多波束則是面上的整體反映。（2）多波束測深系統(tǒng)的測量成果更真實可靠。由于是全覆蓋，其大量的水深點數(shù)據(jù)使等值線生成真實可靠，而單波束是將斷面數(shù)據(jù)進行摘錄成圖以插補方式生成等值線，在數(shù)據(jù)采集不夠時，使得等值線存在一定偏差。（3）多波束測深系統(tǒng)同步記錄船體姿態(tài)信息，起伏、縱搖、橫搖、船向等，由專用后處理軟件對測量結果進行校正后，可使測量結果受外界不利因素影響減少到最低限度。（4）多波束測深系統(tǒng)能對測量資料進行多種成圖處理，可生成等值線圖、三維立體圖、彩色圖像、剖面圖等，同時還能對同一測區(qū)不同測次進行比較以及土方計算等。（5）多波束測深系統(tǒng)可對同一測區(qū)生成不同比例尺的水下地形圖，以滿足不同的需要。

隨著長江數(shù)字航道、智能航道的建設，電子航道圖的更新需求，對航道測量的需求也提出了實現(xiàn)全過程自動化、智能化和數(shù)字化的要求。目前長江航道測繪部門需要完成以下測繪任務：（1）數(shù)字航道建設，電子航道圖測繪；（2）水下航道整治建筑物的監(jiān)測和水毀情況的探測；（3）搜尋水下物體，如沉船位置探測，疏浚作業(yè)可疑物排除；（4）清淤施工區(qū)水下地貌信息采集；（5）用于航道科研目的的水文測量、水深調查；（6）航路改革、新辟航道的掃測等。

測量技術的提高，關鍵在配置先進的測量設備。鑒于多波束測深系統(tǒng)是目前國內外水上測量最先進的測量設備，對數(shù)字航道和智能航道建設具有重要的推進作用。因此，在長江沿線各航道測繪單位合理配備多波束測深系統(tǒng)，用于電子航道圖數(shù)據(jù)的更新、數(shù)字航道建設，適應長江航道建設發(fā)展、航道維護管理的需要是十分必要的。

2 工程概況

宜賓合江門（長江上游航道里程1044.0 km）至宜昌港務集團辦公大樓（原九碼頭長江上游航道里程0.0 km，中游里程626.0 km）為上游航道，習稱川江，長1044.0 km，屬山區(qū)河流，多為石質河床，天然狀態(tài)下，航道彎曲狹窄，灘多流急，流態(tài)紊亂，三峽工程蓄水后，部分河段航道條件得到改善。目前，宜賓合江門至江津紅花磧?yōu)樯絽^(qū)天然航道；江津紅花磧至重慶豐都為山區(qū)變動回水區(qū)航道；重慶豐都至三峽大壩為山區(qū)常年庫區(qū)航道。三峽成庫后，為了進一步充分利用蓄水期和天然航道水深資源，分析航道淤變情況，為航道設計、決策提供第一手測繪資料。

3 多波束測深系統(tǒng)安裝測試

本工程中投入丹麥RESON 7125多波束系統(tǒng)進行測量實施。該系統(tǒng)在引進后就一直都是安裝在固定的測量船的固定位置上，所以系統(tǒng)進行使用都是整體工作的。

多波束測深系統(tǒng)的各部分，按設計位置進行安裝，SF3050接收機天線，多束換能器、運動傳感器（DMS-05）、電羅經等相對船體坐標系原點的位置關系。量測各傳感器相對船體坐標原點的偏移量，以便在數(shù)據(jù)處理進行相應的改正。

3.1 電羅經傳感器的安裝

電羅經的安裝位置有著嚴格的要求，電羅經傳感器應安裝在船舶中心附近，電羅經指示方向應與船首方向一致，并且要求在船體坐標系的水平面內。安裝位置應遠離導磁物質或易被磁化的物質；電羅經與較大的鐵性物體、強電流的電線及電池組至少保持1.3～1.5 m的距離；一些電子設備（如計算機、電視顯示器、雷達磁控管、擴音器、UPS不間斷電源裝置等）的使用會影響電羅經的正常工作，使其測出的方向數(shù)據(jù)失真或干憂，應遠離它們。

3.2 運動傳感器的安裝

OCTANS光纖羅經和運動傳感器（法國iXSEA公司）OCTANS集羅經、運動傳感器于一體，運動傳感器應固定安裝，并盡可能與水平面平行；運動傳感器離船舶重心的越遠，船舶縱橫傾幅度越大，產生的測量誤差也越大，所以安裝位置應在船舶的重心或盡可能靠近重心；運動傳感器的安裝具有方向性，其罩殼上的指示方向應與船艏方向一致，否則將產生反向改正，造成嚴重誤差。

3.3 多波束換能器的安裝

多波束換能器的安裝主要取決于船型和船的結構。同時還應考慮多波束測深系統(tǒng)使用的水域，如在內河測量，因受風浪的程度較小，可以安裝在船首，而在潮汐河口或近海水域，因受風浪的程度較大，宜采用船底固定安裝。安裝時要注意固定好，以免測量換能器產生抖動，下沉。此外，還考慮換能器的安全性，以免在靠離碼頭碰撞損壞，建議安裝的換能器，還具有可拆卸或可移動的功能。

3.4 星站差分SF3050接收機天線的安裝

SF3050接收機天線應安裝在船舶高處（低于避雷針），視場內障礙物的高度角不能超過10°；盡可能遠離船舶主桅桿；盡量遠離大功率的無線電發(fā)射信號源（如雷達、高頻電話天線等）；天線安裝要穩(wěn)固，避免船舶姿態(tài)變化使其產生位移；天線位置應選擇遠離船體大型金屬物體結構，距甲板高度至少在1.5 m以上，減少信號多路徑效應。系統(tǒng)安裝后，應進行測試，測試可分為通電測試和航行測試。通電測試：在靜態(tài)狀態(tài)下進行，檢查系統(tǒng)各部分電纜連接是否良好牢靠，正確無誤；檢查接地是否正確，牢靠；檢查供電電源輸出電壓是否正常，直流供電的極性是否正確無誤，一切正常后，開始目測系統(tǒng)各部分的通電運行狀況、信號的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的通信情況。航行測試：要選擇適宜水域設測多條往返重復測線進行橫傾、縱傾、定位延遲、電羅經偏差等系統(tǒng)參數(shù)改正。此外，在測試過程中還要檢查、測試DGPS接收機、聲速剖面儀、電羅徑等是否工作正常。

目前，上述各測試項目不僅僅是安裝測試的要求，而且已列為每個航次或承接新測量項目之前，必須要做的工作。

（1）電羅經的測試與校準。

電羅經安裝后，電羅經指向與船舶指向可能存在偏差，這個偏差叫航偏差，因為多波束測深系統(tǒng)發(fā)射的扇形聲波束接收陣列的排列與船艏是相互垂直的，如果電羅經的指向與船首航向不一致，將影響換能器陣列的發(fā)射，接收角度，導致覆蓋寬度減少，降低工作效率。更重要的是，這將導致除中央波束外的所有波束定位錯誤，離中央波束越遠，誤差越大，從而導致測量數(shù)據(jù)的錯誤。為此，需要對電羅經進行測試與校準。電羅經測試有三種方法，一是，為可在船舶?？看a頭時進行，使用經緯儀精確確定船艏向，并與電羅經的指向進行對比，確定電羅經的校正值。二是，可選擇開闊的水域進行，其方法是測量船按200 m直徑的圓周運動，連續(xù)航行4周，采用專門軟件進行數(shù)據(jù)采集、分析處理，獲得校準值。三是，利用水域中的突出標志物，先在這標志物的一側作直線航行，用右舷邊緣波束測量標志物，得到一個文件；然后，在標志物的另一側作反向直線航行，同樣用右舷邊緣波束測量標志物，得到另一個文件（這兩條測線平行且與標志物的距離相等）。第一次航行時，由于存在電羅經誤差的航偏差（角）g，故突出標志物R位置的水深點R1；同樣，第二次航行時，R位置的水深點偏移到了R2，測量R1與R2之間的距離d，航跡與突出標志物點R之間的垂直距離為r，則可按式（1）計算出航偏差角，

（1）

g為航偏差；

d為測量R1與R2之間的距離；

r為航跡與突出標志物點R之間的垂直距離。

（2）橫傾偏差角，縱傾偏差角測定及校正。

橫傾偏角是換能器與水平面垂直龍骨方向的夾角，縱傾偏差角是換能器與水平面縱向的夾角。它們是多波束測深的兩個關鍵參數(shù)，這兩個參數(shù)角實際上都包含一個動態(tài)分量和一個靜態(tài)分量。動態(tài)分量是由風、涌、波浪等因素造成的，可以通過運動傳感器（或稱波浪補償儀）予以校正。靜態(tài)分量是由于安裝時造成的，分別稱為橫傾角和縱傾角。橫傾偏差角校正是針對多波束測深系統(tǒng)的換能器在安裝過程中可能存在的橫向角度誤差而引入的一種校正方法。當換能器橫向安裝角度與理論設計角存在偏差時，水底地形將受到嚴重彎曲，為此，必須進行橫傾偏差角的測定與校正。由于定位值延遲和縱傾角（偏差）均造成測點前后位移，因此，橫傾偏差角校正獨立于其他校正，故應予首先進行測定。橫傾偏差角的測定，選擇一處比較平坦的水域布置一測線在風浪較小的狀況下，以正常的航速往返測量，選擇符合要求的兩條測線（航向相反、航跡較直且重復性較好，時間相隔短），然后用多波束測深系統(tǒng)的橫傾模塊，在垂直測線方向截取斷面。通過調整橫傾偏差角，使兩斷面最佳重合，這時的值就是橫傾偏差角。

4 定位導航

本項目水深測量作業(yè)平面定位擬全部采用星站差分SF3050技術實施。由于SF3050 獲取的是WGS-84 坐標，而測量成圖所用的坐標系為北京54坐標系。因此，在測量前必須先求取WGS-84 到北京54坐標系之間的坐標轉換參數(shù)。WGS-84 坐標系至北京54坐標系之間的坐標轉換參數(shù)可直接利用控制點中3個以上控制點求取。為檢驗坐標轉換參數(shù)的準確度，使用SF3050接收機進行坐標比對，利用實測坐標與已知坐標的比對差來檢驗轉換參數(shù)的準確性，比對結果滿足規(guī)范要求方可投入使用。

5 測量與數(shù)據(jù)處理

5.1 掃道設計和測線布設

（1）掃道方向。

在掃道方向設計時，考慮到多波束測深系統(tǒng)采集的是高密度條帶式水深數(shù)據(jù)，它可以對水下地形進行全覆蓋測深。在正常工作環(huán)境中，只要船速選擇適當，就不會把特殊水深遺漏，因此，掃道方向的設計順著航道方向布設[17]。

（2）掃道寬度。

（RESON 7125）的掃道設計寬度為W=2D圖tanθ，式中D圖為海圖水深，θ為波束角。在實際操作中，掃道寬度根據(jù)現(xiàn)場水深來確定，是以掃道設計寬度值為準。另考慮到施工時對漲潮水位的充分利用，也可以實際掃側數(shù)據(jù)填滿屏幕顯示的設計范圍并有重疊為準。

（3）重疊帶寬度。

《水運工程測量規(guī)范》規(guī)定：當測圖比例尺大于1∶5000時，測深定位點點位中誤差限值為圖上1.5 mm，定位點記錄中誤差為圖上0.5 mm。

重疊帶寬度計算如下：

式中，

S為多波束掃側重疊帶寬度；

E0為測量船定位中誤差；

E1為船舶偏航系統(tǒng)性誤差。

根據(jù)上述的要求對川江港航道進行測線布設：多波束測線平行于航道布設，測線間距10m，測量時根據(jù)覆蓋寬度選擇測線號，保證在測量范圍內全覆蓋測量。具體布設局部區(qū)段示意圖見圖1。

5.2 測量實施和數(shù)據(jù)后處理

多波束測量使用的是RESON 7125測量軟件，軟件同步采集星站差分SF3050位置數(shù)據(jù)、多波束測深儀水深測量數(shù)據(jù)、波浪補償儀姿態(tài)補償數(shù)據(jù)、電羅經數(shù)據(jù)。聲速儀實時采集聲速數(shù)據(jù)確定單波束聲速和多波束的聲速剖面。使用CARIS后處理軟件進行水深點的后處理，除去假水深，在CARIS 軟件中錄入潮位信息，自動對水深數(shù)據(jù)進行水位改正。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預處理和成圖兩個部分。預處理主要包括定位數(shù)據(jù)處理，聲速剖面數(shù)據(jù)處理，潮位數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)數(shù)據(jù)處理，深度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)編輯、去噪、合并、清項；成圖處理是對預處理后得到的水深數(shù)據(jù)進行網格化，生成數(shù)字地形模型（DTM），形成海底地形圖。

5.3 成果應用分析

對航槽施工區(qū)段的定期測量，將獲得的數(shù)據(jù)提供給施工船舶進行施工作業(yè)。通過這種方式可以提高施工效率，保證質量。得到的多波束數(shù)據(jù)能很直觀的反映出施工時遺漏的淺點。這一點通過單波束測量手段是無法做到的。下面抽取一次多波束測量后處理得到的航道區(qū)域內三維立體效果圖（圖2）和色塊圖（圖3）。

參考文獻

[1] 舒曉明.多波束在航道測量中的應用[J].科技資訊，2005.

[2] 黃永軍，王閏成.多波束外業(yè)實施研究與探討[J].科技創(chuàng)新導報，2009.

[3] 陳一超，多波束數(shù)據(jù)的智能化處理[J].科技創(chuàng)新導報，2010.