多波束測深系統(tǒng)在航道整治工程中的應(yīng)用

曾 鑫

（廣西壯族自治區(qū)柳州航道管理局，廣西 柳州 545007）

0 引言

柳江柳州至石龍三江口Ⅱ級(jí)航道工程作為打造“廣西西江億噸黃金水道”的重要組成部分，工程的建設(shè)提升了柳江航道等級(jí)，2 000t級(jí)船舶經(jīng)由柳州港可直達(dá)廣東等“珠三角”地區(qū)，這將促進(jìn)廣西內(nèi)河航運(yùn)的綜合發(fā)展。本次多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用在柳州新圩至紅花樞紐段，航道里程長71．6km，為紅花樞紐庫區(qū)，現(xiàn)該航段大部分已被渠化為深水庫區(qū)航道，通航條件優(yōu)良，主要檢測的礙航灘險(xiǎn)河段有蘿卜洲、韋義洲、河西水廠、黃灘四處。

1 設(shè)備介紹

1．1 多波束系統(tǒng)

多波束測深系統(tǒng)適用于工程施工區(qū)和重要航道的精確測量，也可以用于精確測定航行障礙物的位置、深度，它能繪出水底三維圖形。SONIC系列寬帶多波束測深儀代表了當(dāng)今世界最先進(jìn)的水下聲學(xué)技術(shù)。作業(yè)時(shí)，可以在200～400kHz范圍內(nèi)實(shí)時(shí)在線選擇20多個(gè)工作頻率，而不是被限定在2～3個(gè)工作頻率內(nèi)；具有條帶覆蓋寬度在線實(shí)時(shí)可選的功能，在10°～160°范圍內(nèi)靈活選擇合適的覆蓋角度（如圖1所示）。

圖1 多波束系統(tǒng)測深示意圖

1．2 表面聲速儀

Smart SV是直接測量水中聲速的智能化傳感器。Smart SV能與電腦直接相連，也可以接手持設(shè)備，直接讀出數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感器都有內(nèi)部校準(zhǔn)系數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出功能，確保可以即插即用。Smart SV聲速測量精度為0．050m／s。

1．3 光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器（多波束輔助儀器）

OCTANSⅢ光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器是法國iXSEA公司生產(chǎn)的世界唯一經(jīng)IMO認(rèn)證的測量級(jí)羅經(jīng)，內(nèi)含3個(gè)光纖陀螺和3個(gè)加速度計(jì)，可以給出載體的六自由度運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及真北方位角。主要技術(shù)指標(biāo)為：航向動(dòng)態(tài)精度0．1°，分辨率0．01°；穩(wěn)定時(shí)間（靜態(tài)）＜1mn，穩(wěn)定時(shí)間（各種條件）＜5mn；升沉、橫擺、縱擺精度為5cm或5%；橫滾、俯仰、動(dòng)態(tài)精度0．01°（±90°）；量程無限制（±180°），分辨率0．001°。

1．4 Leica 1230GPS全球定位系統(tǒng)

平面控制測量及導(dǎo)航定位采用Leica公司生產(chǎn)的1230GPS接收機(jī)，其主要性能為：

（1）長基線觀測解算基線精度：3mm＋0．5ppm；動(dòng)態(tài)測量靜態(tài)采集模式：5mm＋0．5ppm。

（2）模糊度解算采用實(shí)時(shí)檢核，每4s檢核一次，使得RTK的可靠性在30km內(nèi)達(dá)到99．99%；在無不利因素影響下，作業(yè)距離可達(dá)30km以上。

（3）RTK數(shù)據(jù)采集和更新率：20Hz（保證精度不損失H 10mm＋1ppm），時(shí)間延遲＜30ms。

1．5 徠卡TCR1202全站儀

該儀器集高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性技術(shù)于一身，擁有快速、精確、易使用、可靠等特點(diǎn)，可完成艱巨的測量任務(wù)。該儀器測角精度為2″，有棱鏡測距精度為1mm＋1．5ppm×D，無棱鏡測距精度為2mm＋2×10－6D，無棱鏡測距＞1 000m。

2 作業(yè)技術(shù)方案

2．1 GPS RTK導(dǎo)航與測深定位

作業(yè)時(shí)參考站和流動(dòng)站的設(shè)置符合下列技術(shù)規(guī)定：

（1）接收機(jī)天線高度量取精度精確至mm。

（2）正確輸入?yún)⒖颊镜南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，包括點(diǎn)名、坐標(biāo)、高程、天線高度、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)、坐標(biāo)高程轉(zhuǎn)換參數(shù)等。

（3）流動(dòng)站作業(yè)的有效衛(wèi)星數(shù)≥4個(gè)，GDOP值＜6，并采用固定解成果。

（4）流動(dòng)站作業(yè)前及作業(yè)過程中，實(shí)時(shí)檢測GPS RTK測量的水面高。

（5）作業(yè)中，如果流動(dòng)站出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)失鎖，經(jīng)重新初始化并檢查合格后，方能繼續(xù)作業(yè)。

（6）船臺(tái)的流動(dòng)天線，應(yīng)牢固地安置在船臺(tái)較高處，天線位置與測深儀換能器處于同一垂線上。

（7）定位數(shù)據(jù)與測深數(shù)據(jù)同步，作業(yè)過程中未出現(xiàn)延時(shí)現(xiàn)象。

（8）水深測量開始前用流動(dòng)站檢查陸域已知控制點(diǎn)坐標(biāo)，檢查無誤后才繼續(xù)作業(yè)，確保參考站、流動(dòng)站、測深儀參數(shù)設(shè)置正確，檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 柳州柳江航道工程水下地形測量質(zhì)量檢測項(xiàng)目GPS RTK精度檢測表

2．2 測線布設(shè)

本工程水下地形圖測量采用多波束系統(tǒng)測量，作業(yè)前布設(shè)的測線為沿航道走向，間距為25m，同時(shí)確保測線間能達(dá)到15%的重疊度（大于規(guī)范要求的10%要求），同時(shí)針對(duì)下列情況，在現(xiàn)場做好增加測線的補(bǔ)測工作：

（1）當(dāng)資料記錄不清晰，發(fā)現(xiàn)有不符合技術(shù)要求的測線，現(xiàn)場技術(shù)負(fù)責(zé)人應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)測；

（2）測深作業(yè)時(shí)如船只航跡間隔超過航線1／2間距需要補(bǔ)測。

2．3 水深測量

2．3．1 多波束系統(tǒng)安裝

Soinc 2024多波束采用左舷安裝，多波束換能器安裝于水面以下0．8m，避免船底阻擋波束的發(fā)射。換能器在船頭、船尾、右舷三個(gè)方向用鋼絲拉緊，確保換能器穩(wěn)固，避免其晃動(dòng)，多波束系統(tǒng)安裝效果見圖2。多波束系統(tǒng)的輔助設(shè)備運(yùn)動(dòng)傳感器安裝在作業(yè)船只的駕駛室，位于船的中心線上，并指向船頭，安裝底部穩(wěn)固和嚴(yán)格水平，不會(huì)因?yàn)榇献鳂I(yè)人員走動(dòng)影響地板晃動(dòng)，干擾其工作。光纖羅經(jīng)安裝位置同運(yùn)動(dòng)傳感器一樣。

圖2 多波束系統(tǒng)安裝現(xiàn)場示意圖

2．3．2 多波束系統(tǒng)調(diào)試

在工作之前，應(yīng)對(duì)多波束系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的狀態(tài)調(diào)試，調(diào)試的主要內(nèi)容包括：

（1）在多波束系統(tǒng)作業(yè)之前，全面了解工程需要。調(diào)查測區(qū)的水深、江底地形及特征、江底障礙物情況、河流的流速和流向、風(fēng)向和風(fēng)速、水溫層變化等情況。

（2）設(shè)置好探頭吃水深度，多波束探頭吃水為0．8m。

（3）多波束系統(tǒng)在施測前，進(jìn)行船只和儀器設(shè)備的穩(wěn)定性試驗(yàn)和航行試驗(yàn)。

（4）在作業(yè)前根據(jù)測區(qū)水深、江底情況，設(shè)置好多波束系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，頻率設(shè)置為380～400Hz，發(fā)射波長選擇為15～65μsec，Power為221，Gain為1～5，掃射量程Range根據(jù)水深變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，Absorption為130dB／km，Spreading為30dB，聲速由Smart SV聲速探頭實(shí)時(shí)提供，多波束掃測開角根據(jù)水深及測線間距調(diào)節(jié)。

（5）檢查測量船的前后左右吃水值及換能器吃水，由兩人分別測量，互差值≤0．01m，取均值作為最后結(jié)果。

2．3．3 水深測量外業(yè)

Sonic 2024多波束測深儀配置OctansⅢ光纖羅經(jīng)和Smart SV聲速儀。外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)使用Sonic Control 2000多波束控制軟件和PDS 2000數(shù)據(jù)采集軟件，工作時(shí)情況如圖3所示。

圖3 多波束系統(tǒng)作業(yè)時(shí)Sonic Control 2000和PDS 2000窗口示例圖

Sonic Control 2000是Soinc 2024的隨機(jī)軟件，主要用途是控制多波束換能器的工作。外業(yè)采集中應(yīng)根據(jù)水深值變化，在Sonic Control 2000中調(diào)節(jié)波束量程Rang、脈沖長度Pulse Length、發(fā)射功率Power、信號(hào)增益Gain、工作頻率Frequency以及水深值濾波窗口等等。

PDS 2000是Reson公司用于多波束外業(yè)采集控制的軟件。外業(yè)采集工作中，PDS 2000主要控制光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器、GPS、多波束儀器之間數(shù)據(jù)同步以及數(shù)據(jù)記錄工作，負(fù)責(zé)配置各種儀器之間位置改正參數(shù)、多波束姿態(tài)改正參數(shù)，同時(shí)還負(fù)責(zé)江底地形實(shí)時(shí)三維可視化，并可用于測線導(dǎo)航。

多波束系統(tǒng)作業(yè)時(shí)應(yīng)注意下列事項(xiàng)，并根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)措施：

（1）使用GPS RTK全球差分技術(shù)定位，定位數(shù)據(jù)更新率為1次／s，當(dāng)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)停止作業(yè)。

（2）多波束覆蓋寬度與換能器水深以下部分的比值稱為寬深比。測線間距除了事先設(shè)計(jì)好的測線外，對(duì)于水深較淺的地段，需要人工干預(yù)船的航向，并在中間加測一條，確保測線之間有≥20%的重疊度。

（3）作業(yè)季節(jié)溫差變化不大，測區(qū)的聲速通過幾天的觀測，變化十分小。

（4）在測深過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測光纖羅經(jīng)、定位及測深設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)停止記錄。作業(yè)過程中盡量減少鍵盤操作，不改變關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置。

（5）在測線上測量時(shí)，使用小舵角修正航向，盡量避免急轉(zhuǎn)彎。上線正式記錄數(shù)據(jù)前，延長一段讓儀器穩(wěn)定的測線。

（6）每天作業(yè)結(jié)束后對(duì)多波束系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行整理、備份。

2．3．4 多波束系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

多波束系統(tǒng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中要將PDS 2000采集所得的多波束數(shù)據(jù)文件＊．pds文件導(dǎo)入Caris7．0軟件。主要處理流程有：創(chuàng)建工程，將PDS2000數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成Caris軟件格式；加載剖面聲速改正文件；加載潮位改正文件；創(chuàng)建地域圖表；創(chuàng)建BASE地形曲面；數(shù)據(jù)編輯及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；驗(yàn)證CUBE地形曲面；輸出數(shù)據(jù)（水深值，等值線，地貌圖像）；將Caris7．0輸出的水深值編輯成CASS所需要的DAT格式，最終成圖、修圖都利用CASS來完成。多波束數(shù)據(jù)的具體處理流程如圖4所示：

圖4 多波束數(shù)據(jù)處理流程圖

多波束系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)過Caris7．0數(shù)據(jù)處理軟件可輸出水深點(diǎn)坐標(biāo)、江底地形地貌圖像、江底地形三維模型等數(shù)據(jù)格式。最終成果利用Caris7．0生成1m×1m江底地形BASE曲面，在該水深值范圍內(nèi)，可有效地確定江底的地形地貌狀況。

3 結(jié)語

庫區(qū)航道水深較深，流速較慢，如在庫區(qū)航道采用傳統(tǒng)硬式掃床進(jìn)行質(zhì)量檢測，會(huì)出現(xiàn)水深較深以致掃床架無法保證豎直固定的情況，導(dǎo)致掃床誤差較大；水位改正數(shù)較大（一般改正數(shù)超過3m），掃床架長度不足，無法進(jìn)行掃床；水流流速過慢，掃床效率非常低等不利情況，影響施工進(jìn)度。多波束測深系統(tǒng)同硬式掃床相比，具有橫向覆蓋范圍大（為深度的幾倍）、波束窄（約為3°～5°）、效率高、精度可靠等優(yōu)點(diǎn)，本次采用多波束測深系統(tǒng)大大提高了該工程質(zhì)量檢測的效率和質(zhì)量，為工程帶來了一定的效益。