利用多波束測(cè)深儀及無(wú)人船等測(cè)量白石水庫(kù)

□ 裴洪超

（遼寧省基礎(chǔ)測(cè)繪院，遼寧 錦州 121003）

0.引言

遼寧省大中型水庫(kù)，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，庫(kù)區(qū)的地形、地貌都發(fā)生了很大變化，特別是水庫(kù)多年的淤積，對(duì)庫(kù)盆形態(tài)及庫(kù)容均產(chǎn)生了重大影響。為了摸清水庫(kù)現(xiàn)狀的淤積量和庫(kù)容參數(shù)，為水庫(kù)的科學(xué)管理和調(diào)度提供重要依據(jù)，在“十三五”期間按照制定的規(guī)劃需要對(duì)水庫(kù)水下地形進(jìn)行系統(tǒng)而全面的測(cè)量。白石水庫(kù)1∶2000水下地形測(cè)量項(xiàng)目，通過(guò)采集內(nèi)陸水域水下地形數(shù)據(jù)，并與已有陸地部分地形數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，獲取陸地與水域完整的地形數(shù)據(jù)，為環(huán)保、水利、漁業(yè)、交通等部門提供更豐富的水系地理信息，為相關(guān)部門開展水庫(kù)管理、飲用水調(diào)度、防洪減災(zāi)、河道清淤等工作提供有力的數(shù)據(jù)支持，促進(jìn)遼寧省水資源保護(hù)和利用。

1.白石水庫(kù)測(cè)區(qū)特點(diǎn)

白石水庫(kù)位于遼寧省朝陽(yáng)市境內(nèi)大凌河干流上，控制流域面積17649Km2。水庫(kù)總庫(kù)容1.645×109m3，其中防洪庫(kù)容 3.89×108m3，多年平均年調(diào)節(jié)水量5.28×108m3，現(xiàn)已成為朝陽(yáng)、錦州、阜新三大城市居民飲用水的重要水源地。地理位置位于中緯度地帶，屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.2～9.7℃。全年降水量509mm左右，全年無(wú)霜期153天左右。受季風(fēng)影響，降水集中在夏季，溫差較大，四季分明。

我們對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了詳細(xì)地踏勘，以便更好地開展測(cè)量工作。白石水庫(kù)形狀為南北方向狹長(zhǎng)，常年受季風(fēng)影響較大，是全省水庫(kù)中風(fēng)力最大、最多的水庫(kù)，在正常情況下每天都是中午開始起風(fēng)變大，只有半夜到上午風(fēng)力較小的一段時(shí)間適合工作。風(fēng)浪太大，對(duì)船的行駛造成的危險(xiǎn)是非常大。

水庫(kù)中下游依山而建，兩側(cè)溝溝岔岔很多，大多都是窄長(zhǎng)的形狀，不利于大船在里面掉頭行駛；下游部分地方是漁業(yè)公司水產(chǎn)養(yǎng)殖和捕撈的區(qū)域，漁網(wǎng)較多，漁網(wǎng)若看不見，很容易被絞到掛機(jī)上，造成熄火；水庫(kù)上游和中游兩側(cè)淺水區(qū)域各有一片地形復(fù)雜的厡移民拆遷區(qū)域，水底留有居民區(qū)遺址，船只不能靠近。

針對(duì)踏勘報(bào)告反映的測(cè)區(qū)實(shí)際情況，對(duì)不同的地形特點(diǎn)采用單波束、多波束和無(wú)人船聯(lián)合作業(yè)的模式，以達(dá)到更好完成任務(wù)的目的。

2.多波束測(cè)深儀的應(yīng)用

2.1 多波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)能夠有效探測(cè)水下地形，得到高精度的三維地形圖。其工作原理圖（如圖1所示）。

多波束測(cè)深系統(tǒng)是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過(guò)發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)水底地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，一次探測(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的海底被測(cè)點(diǎn)的水深值，從而能夠精確、快速地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。

多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、測(cè)量速度快、精度和效率高的優(yōu)點(diǎn)，它把測(cè)深技術(shù)從點(diǎn)、線擴(kuò)展到面，并進(jìn)一步發(fā)展到立體測(cè)深和自動(dòng)成圖，特別適合進(jìn)行大面積的水底地形探測(cè)。

2.2 測(cè)區(qū)采用儀器及工作實(shí)施

白石水庫(kù)的上游平均水深2m，下游平均水深20m，能夠滿足船的安全行駛區(qū)域，占整個(gè)水庫(kù)面積的75%，決定我們利用多波束測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)量。

圖1 多波束測(cè)深儀工作原理

我們采用的是最新購(gòu)置的IMAGENEX DT101多波束測(cè)深儀，它是一款將發(fā)射換能器、接受換能器、姿態(tài)傳感器、表面聲速儀集成在一起的設(shè)備。結(jié)構(gòu)緊湊，僅需要外接雙天線GNSS接收機(jī)即可快速安裝進(jìn)行測(cè)量。

圖2 IMAGENEX DT101多波束測(cè)深儀

按設(shè)計(jì)要求采用水下全覆蓋測(cè)量，測(cè)線方向平行于水流方向，測(cè)線間距依據(jù)水深而定。門限開角選用120度，測(cè)線的條帶寬度是水深的3.5倍，航線重疊覆蓋率為15%-30%。

由于不同流域，不同水質(zhì)對(duì)聲速傳播產(chǎn)生影響不同，因此根據(jù)水庫(kù)分布情況，在水庫(kù)上游、中游和下游分別進(jìn)行聲拋數(shù)據(jù)采集，在軟件中加入聲速改正值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正，提高水深數(shù)據(jù)測(cè)量精度。采用AML Micro.X SVP水下聲速剖面儀，對(duì)測(cè)量的水下聲速數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。

2.3 問(wèn)題及處理方法

2.3.1 對(duì)邊緣波束異常的處理

現(xiàn)象：多波束數(shù)據(jù)條帶編輯器里顯示邊緣波束發(fā)散或子區(qū)編輯里顯示邊緣波束發(fā)散。這種異常引起的子區(qū)編輯時(shí)，相鄰線符合差；子區(qū)移動(dòng)時(shí)，同測(cè)線前向視圖中，水深有快速左右搖的現(xiàn)象。

產(chǎn)生原因：多波束探頭安裝不牢固；姿態(tài)傳感器安裝位置不穩(wěn)定；各設(shè)備數(shù)據(jù)間沒(méi)有精確的時(shí)間同步。

處理方法：改善探頭安裝情況，加固，下方增加支點(diǎn)等；選擇合適的姿態(tài)傳感器安裝位置，安裝牢固，測(cè)量時(shí)避免船的共振；檢查時(shí)間同步設(shè)置，連接線，GPS設(shè)置等。時(shí)延為常數(shù)時(shí)可用前面的方法處理。

2.3.2 波束彎曲的處理

現(xiàn)象：進(jìn)行聲速改正后，在HIPS線編輯模式下，波束的前向視圖中波束彎曲較大。引起的問(wèn)題是相鄰測(cè)線水深不符合，呈現(xiàn)交叉狀。

產(chǎn)生原因：多波束換能器表面聲速錯(cuò)誤；聲速剖面測(cè)量值不正確；測(cè)區(qū)聲速變化大。

處理方法：在線模式中，進(jìn)行聲速折射改正。

經(jīng)過(guò)我們的努力，合理利用船只，根據(jù)天氣情況規(guī)避了風(fēng)大的時(shí)間段，保證船只在安全的環(huán)境下工作，按設(shè)計(jì)的航線控制好測(cè)量范圍，很好地完成了預(yù)定的測(cè)區(qū)面積。

3.單波束測(cè)深儀的應(yīng)用

3.1 單波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理

單波束測(cè)深系統(tǒng)回聲儀每次只能發(fā)射一束聲波，只能得到一個(gè)水深數(shù)據(jù)點(diǎn)。在測(cè)量一個(gè)區(qū)域的水下地形，須先根據(jù)出圖比例和規(guī)范要求，預(yù)先確定測(cè)點(diǎn)和測(cè)線的間距，再用水文船逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，以此畫出地形等高線圖。

3.2 測(cè)區(qū)采用儀器及工作實(shí)施

針對(duì)白石水庫(kù)水深范圍0.8m-2m的區(qū)域以及水庫(kù)兩岸溝溝岔岔的區(qū)域，由于大船駛?cè)爰岸嗖ㄊ鴾y(cè)深儀不能正常展開，因此我們采用HD360單波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)這片區(qū)域進(jìn)行水下地形測(cè)量。

單波束測(cè)深儀安裝在裝有掛機(jī)的橡皮艇上。對(duì)于橡皮艇則先充滿氣，使其膨脹起來(lái)，然后用配件進(jìn)行固定儀器設(shè)備，我們上船連接各線，將GPS、測(cè)深儀顯示器打開，進(jìn)行測(cè)深儀處理軟件設(shè)置，完成測(cè)區(qū)范圍的測(cè)線布設(shè)控制。

3.3 問(wèn)題及處理方法

問(wèn)題：受魚網(wǎng)、水草的影響，魚網(wǎng)若看不見，很容易被絞到掛機(jī)上，造成熄火，水草造成測(cè)深儀多次回波。

處理方法：在橡皮艇上坐三人，其中一人做最前面，時(shí)刻觀察水里是否存在魚網(wǎng)；對(duì)于水草造成回波干擾，由另一工作人員進(jìn)行調(diào)檔，往大調(diào)，待顯示清晰為止。

經(jīng)過(guò)我們的努力，合理利用船只，按設(shè)計(jì)的航線控制好測(cè)量范圍，很好地完成了整個(gè)水庫(kù)面積16%的測(cè)區(qū)范圍，解決了多波束測(cè)深儀不能展開利用的問(wèn)題，高質(zhì)量完成了任務(wù)。

4.無(wú)人測(cè)量船的應(yīng)用

4.1 測(cè)區(qū)采用儀器及工作實(shí)施

圖3 中海達(dá)iBoat BM1無(wú)人測(cè)量船

白石水庫(kù)設(shè)計(jì)測(cè)量的區(qū)域0m至0.8m水深范圍的區(qū)域有9%，由于該區(qū)域大都是淺灘，還有兩處移民拆遷區(qū)域，行船危險(xiǎn)也會(huì)對(duì)單波束測(cè)深儀造成損壞，因此采用中海達(dá)iBoatBM1無(wú)人測(cè)量船。無(wú)人測(cè)量船很好地解決了在白石水庫(kù)平穩(wěn)淺水區(qū)域，使用RTK直接測(cè)量水下三維坐標(biāo)，效率太低；地質(zhì)崩塌區(qū)域測(cè)量，危險(xiǎn)性很大；居民拆遷區(qū)域水下地形復(fù)雜等問(wèn)題，提高了工作效率。利用架設(shè)基準(zhǔn)站，使用操控軟件控制無(wú)人船按設(shè)計(jì)的路線行駛，采集了淺灘區(qū)域及危險(xiǎn)地形區(qū)域的數(shù)據(jù)，快速高效地完成了最后整個(gè)區(qū)域的測(cè)繪任務(wù)。

4.2 問(wèn)題及處理方法

現(xiàn)象：測(cè)深模擬信號(hào)跳點(diǎn)較多，無(wú)法處理。

處理方法：若跳點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在主測(cè)線中心位置，對(duì)此部分進(jìn)行補(bǔ)測(cè)；若出現(xiàn)在岸邊位置，此時(shí)船停止不動(dòng)，測(cè)深未停止記錄，將跳點(diǎn)部分直接刪除。

5.結(jié)束語(yǔ)

白石水庫(kù)由于復(fù)雜的地形環(huán)境，決定了單一的作業(yè)模式不能完全有效展開。單波束測(cè)深儀、多波束測(cè)深儀及無(wú)人測(cè)量船的聯(lián)合作業(yè)模式全面解決了白石水庫(kù)地域、地形特點(diǎn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)區(qū)域的水下地形圖測(cè)量全部能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量的完成，獲取了水體覆蓋下高精度的1∶2000水底地形圖，能夠?yàn)闈O業(yè)捕撈、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水利設(shè)施建設(shè)、水庫(kù)資源開發(fā)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和圖件。