高分辨率多波束測(cè)深系統(tǒng)在靜態(tài)庫容測(cè)量中的應(yīng)用

葉 偉1，史永忠，李京兵，魏榮灝，張 杰

（1.麗水經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)水利服務(wù)站，浙江 麗水 323000；2.浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008；3.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

高分辨率多波束測(cè)深系統(tǒng)在靜態(tài)庫容測(cè)量中的應(yīng)用

葉 偉1，史永忠2，3，李京兵2，3，魏榮灝2，3，張 杰2，3

（1.麗水經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)水利服務(wù)站，浙江 麗水 323000；2.浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008；3.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

水庫是調(diào)節(jié)水資源的重要工具，而庫容數(shù)據(jù)是調(diào)度水資源的基礎(chǔ)和依據(jù)。傳統(tǒng)的靜態(tài)庫容測(cè)量方法采用單頻測(cè)深儀或全站儀等，數(shù)據(jù)密度和分辨率較低，已經(jīng)難以滿足精細(xì)水資源管理的需求。在介紹多波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，研究了采用Sonic 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)庫容測(cè)量的方法并在浙江省某水庫進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，數(shù)據(jù)成果分辨率和精度滿足國家規(guī)范要求。

Sonic 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)；靜態(tài)庫容；水庫

1 問題的提出

水庫是調(diào)節(jié)和利用水資源的重要工具，其作用包括防洪、發(fā)電、灌溉、供水、養(yǎng)殖和旅游等，主要通過調(diào)節(jié)水庫水位從而調(diào)整水庫的庫容來實(shí)現(xiàn)。因此水庫水位與庫容之間的關(guān)系對(duì)相關(guān)管理工作有著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的水庫庫容測(cè)量技術(shù)主要利用航空攝影、全站儀或回聲測(cè)距儀結(jié)合GPS的方式進(jìn)行[1-3]，其主要采用特征點(diǎn)勾繪水庫地形圖并進(jìn)行庫容計(jì)算。這些方法外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率相對(duì)較低，且難以獲取高密度地形數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的庫容計(jì)算，已經(jīng)難以滿足高效利用水資源的需要。隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)了采用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行庫容測(cè)量的方法[4-5]。但是由于傳統(tǒng)的多波束測(cè)深系統(tǒng)具有體積較大、分辨率較低和發(fā)射聲波頻率不可變等問題，獲取的數(shù)據(jù)分辨率和精度較低。隨著以美國R2Sonic公司的Sonic 2024為代表的第5代便攜多波束測(cè)深系統(tǒng)的出現(xiàn)，當(dāng)前技術(shù)已實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度、可變發(fā)射開角、可變發(fā)射角度和可變聲波發(fā)射頻率等特點(diǎn)，在海底管道調(diào)查等領(lǐng)域已得到了應(yīng)用[6]，但在水庫庫容測(cè)量中的研究較少。因此在主要介紹多波束系統(tǒng)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，采用Sonic 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)在浙江省某水庫中進(jìn)行了靜態(tài)庫容測(cè)量，通過最后利用DEM法在ArcGIS中進(jìn)行了庫容計(jì)算與分析。試驗(yàn)表明，該成果可較好地應(yīng)用于水庫靜態(tài)測(cè)量中。

2 多波束系統(tǒng)工作原理

當(dāng)前各種多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作流程基本一致。由聲學(xué)子系統(tǒng)向海底發(fā)射并接收聲波，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)由數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)記錄，結(jié)合多波束外圍輔助設(shè)備子系統(tǒng)采集的定位、姿態(tài)和聲速等數(shù)據(jù)求解出水深數(shù)據(jù)[7]（見圖1）。系統(tǒng)基本工作原理如下：假設(shè)海底平坦，多波束測(cè)深系統(tǒng)工作時(shí)，由發(fā)射模塊觸發(fā)脈沖發(fā)生器向海底發(fā)射一個(gè)聲波，聲波遇到海底后通過反射或者散射以角度θ被接收模塊接收，而接收模塊是由N個(gè)接收單元組成的陣列，已知接收單元之間的間距d并測(cè)量出該點(diǎn)的聲速值c，可以通過式（1）、（2）求出各個(gè)單元之間的延時(shí)，這樣就可以先對(duì)各個(gè)接收單元的信號(hào)進(jìn)行一定的時(shí)間偏移以獲得波前相干干涉，對(duì)各個(gè)接收單元的輸出求和，就可以求出對(duì)于入射角為θ時(shí)的最大接收陣列輸出，即波束指向，將主波瓣軸向轉(zhuǎn)向與垂直方向成θ角的方向。實(shí)際上，根據(jù)對(duì)一次發(fā)射、接收的信號(hào)進(jìn)行處理后，可以獲得所需各個(gè)角度的測(cè)量值，從而獲得1條水深條帶的數(shù)據(jù)。

式中：A、B分別代表聲波與換能器2、1的距離，m；d代表換能器1、2之間的間距，m；θ代表換能器軸與聲波的夾角，°；c代表聲速，m/s；T1、T2分別代表聲波回波到達(dá)換能器2、1的時(shí)間，s；具體可見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

3 靜態(tài)庫容測(cè)量方法

進(jìn)行水庫靜態(tài)庫容測(cè)量時(shí)，需要建立或者校核已有的平面和高程控制成果，在庫區(qū)內(nèi)布設(shè)滿足潮位控制的水位觀測(cè)站點(diǎn)，進(jìn)行多波束測(cè)深工作。其工作流程見圖2。

圖2 工作流程示意圖

作為第5代多波束測(cè)深系統(tǒng)，Sonic 2024系統(tǒng)在靜態(tài)庫容測(cè)量中可通過調(diào)節(jié)聲波頻率、發(fā)射開角和發(fā)射角度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高分辨率高精度的測(cè)量。若僅使用Sonic 2024系統(tǒng)進(jìn)行水深探測(cè)，可采用400 kHz采集以獲取高精度數(shù)據(jù)；若采用淺地層剖面儀等多種設(shè)備進(jìn)行同步作業(yè)，可根據(jù)其他聲學(xué)設(shè)備的頻率調(diào)整2024系統(tǒng)的聲波頻率，保證不同聲學(xué)系統(tǒng)之間不發(fā)生干擾；另外可以通過旋轉(zhuǎn)發(fā)射開角和調(diào)整發(fā)射開角等方式對(duì)特征地物進(jìn)行重點(diǎn)探測(cè)。同時(shí)還需要采集潮位和聲速剖面等信息。潮位數(shù)據(jù)可通過RTK三維水深測(cè)量或者設(shè)立水位觀測(cè)站的方式獲取，聲速剖面數(shù)據(jù)可通過定期投放聲速剖面儀的方式獲取。在獲取水深數(shù)據(jù)及相關(guān)輔助數(shù)據(jù)后，經(jīng)數(shù)據(jù)后處理可得到水庫水下地形數(shù)據(jù)。圖3為項(xiàng)目組在浙江省某水庫獲取的部分水下地形數(shù)據(jù)。從圖3的左上方可明顯看出，建庫之前此處曾存在一個(gè)小池塘，其堤壩形態(tài)也較為清晰。在此蓄水池下方為若干梯田；圖3右側(cè)為水庫部分區(qū)域清淤過程中留下的抓痕，精細(xì)地反映了水下地形的詳細(xì)情況。

4 庫容計(jì)算與分析

根據(jù)規(guī)范[8]要求，對(duì)經(jīng)過各項(xiàng)改正后的多波束測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證，其結(jié)果見表1。比較結(jié)果表明，多波束測(cè)深數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求，可用于庫容計(jì)算。當(dāng)前常用的庫容計(jì)算方法有如下幾種：DEM法、斷面法、格網(wǎng)法和等高線法等[9-12]。其中斷面法和等高線法主要用于傳統(tǒng)單頻測(cè)深儀獲取的數(shù)據(jù)，而格網(wǎng)法和DEM法可以用于處理單頻測(cè)深儀數(shù)據(jù)和多波束測(cè)深數(shù)據(jù)，相關(guān)研究表明DEM法求取的數(shù)據(jù)精度更高[9]，且多波束測(cè)深成果為網(wǎng)格數(shù)據(jù)，無需經(jīng)過內(nèi)插便可計(jì)算。通過ArcGIS采用DEM法進(jìn)行了庫容計(jì)算：將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcGIS中，通過空間分析方法計(jì)算水位與面積的關(guān)系，進(jìn)一步求取其庫容，最后得到的水位 —面積—庫容曲線（見圖4）。

圖4 水位—面積—庫容曲線圖

5 結(jié) 語

首先介紹了多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成和系統(tǒng)工作原理，然后研究了Sonic 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)庫容測(cè)量的方法，并采用DTM法在ArcGIS中進(jìn)行了庫容計(jì)算。測(cè)試結(jié)果表明，多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取的水深數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求，并能精細(xì)反映水庫水下地形，網(wǎng)格化成果無需內(nèi)插，便于在ArcGIS中采用DEM法進(jìn)行庫容計(jì)算。測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)備可較好地應(yīng)用于水庫庫容測(cè)量工作，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯 黃 超）

Application of High Resolution Multibeam System in Reservoir Storage Capacity Survey

YE Wei1，SHI Yong - zhong2，3，LI Jing - bing2，3，WEI Rong - hao2，3，ZHANG Jie2，3

(1. Water Service Station of Lishui Economic Development Zone，Lishui 323000，Zhejiang，China；2. Zhejiang Surveying Institute of Estuary and Coast，Hangzhou 310008，Zhejiang，China；3. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Estuary and Coast，Hangzhou 310020，Zhejiang，China)

Reservoirs play an important role in water resource adjustment，and the storage capacity data of the reservoir is the key to water regulation.The traditional method uses single frequency depth sounders or total stations to investigate reservoir capacity which got low data density and resolution，and it's hard to meet the refi ned management requirements of water resource.The paper fi rst introduces the work principle of multi - beam sounding system，then focuses on how to use Sonic 2024 multi - beam sounding system to collect bathymetric data and calculate the reservoir storage.The test taken in one reservoir of Zhejiang Province shows that the Sonic 2024 system can get high data density with good precision and has bright application prospect in storage capacity survey.

Sonic 2024 multi - beam sounding system；storage capacity；reservoir

TV698

A

1008 - 701X(2017)02 - 0089 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.025

2016-08-16

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016F10012，2017F10008)；浙江省水利科技計(jì)劃項(xiàng)目（RC1501，RC1605）。

葉 偉(1980 - )，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程管理工作。