多波束測深技術(shù)在黃河床面形態(tài)觀測中的應(yīng)用

馬坤 王平 王俊雷 王耀興 劉鵬飛 郭帥有

摘要：根據(jù)R2SONIC多波束測深系統(tǒng)的測量原理及測量技術(shù)要求，結(jié)合黃河下游游蕩型河道的水沙及地形特點(diǎn)，采用差分GPS定位導(dǎo)航、R2SONIC水深測量，于2016年6-7月開展了黃河下游花園口河段的河床形態(tài)測量，取得了主河槽內(nèi)長5km、寬50m的觀測帶在河道流量為800～1200m3/s時(shí)的河床床面形態(tài)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：采集的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件后處理后能夠達(dá)到較高的精度，可以給出黃河下游床面形態(tài)的三維立體圖形，直觀反映床面形態(tài)特征，同時(shí)為黃河下游動床阻力及輸沙能力的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；花園口河段床面形態(tài)為復(fù)式沙壟，即存在一個(gè)波長800～1200m、波高3m左右的一個(gè)大沙壟，其他小沙壟附著在大沙壟上。

關(guān)鍵詞：多波束測深系統(tǒng)；測量；床面形態(tài)；花園口河段；黃河下游

中圖分類號：P332.3；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.004

1 概述

多波束測深系統(tǒng)服務(wù)于水下地形測量，具有精度高、測量速度快、成圖效率和自動化程度高等優(yōu)勢，將水下地形測量技術(shù)從“點(diǎn)”“線”擴(kuò)展到“面”，不僅如此，還能進(jìn)一步發(fā)展至自動化成圖，乃至將水下地形以直觀的形式呈現(xiàn)在人們眼前，使水下地形測量技術(shù)發(fā)展到更高水平[1]。多波束測深系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于海洋、河道等對象的水深或地形測量。利用多波束測深進(jìn)行海底數(shù)字地形模型的構(gòu)建工作，能夠充分滿足大區(qū)域、大比例尺制圖的需要，并且可以有效地提高多波束數(shù)據(jù)處理的效率、精度和質(zhì)量[2]。如多波束測深系統(tǒng)曾在我國東海進(jìn)行了海底地形的測量，得到了無縫且精細(xì)的海圖[3]；在長江鎮(zhèn)揚(yáng)河段和暢洲左漢潛壩工程區(qū)域，利用多波束進(jìn)行了全覆蓋測量，掃描的三維圖形能更加細(xì)致、全面和準(zhǔn)確地反映水下的實(shí)際情況[4]；多波束系統(tǒng)在長江口深水航道和湛江港建設(shè)航道疏浚工程進(jìn)行的水下地形測量也取得了較好的效果[5]。

黃河下游為著名的游蕩型河道，河道寬淺散亂，因此黃河下游床面形態(tài)的觀測十分困難。20世紀(jì)50年代末，黃委花園口河床演變測繪隊(duì)曾利用測深桿在黃河下游花園口河段進(jìn)行了沙壟觀測，但是受觀測條件及觀測技術(shù)的限制，獲得的觀測資料很少且不系統(tǒng)，難以完全反映花園口河段床面形態(tài)的特征。R2SONIC多波束測深系統(tǒng)是先進(jìn)的測深技術(shù)，目前尚未在黃河下游游蕩型河段得到應(yīng)用。為研究不同水流條件下黃河下游床面形態(tài)特征及相應(yīng)的輸沙能力，筆者利用R2SONIC多波束測深系統(tǒng)，在花園口河段進(jìn)行了床面形態(tài)測量。

2 R2SONIC多波束測深系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)組成

多波束測深系統(tǒng)（組成見圖1）主要包含有多波束聲學(xué)系統(tǒng)、輔助設(shè)備、工作站3個(gè)子系統(tǒng)。多波束聲學(xué)系統(tǒng)包括多波束發(fā)射接收換能器陣（聲納探頭）和信號控制處理電子系統(tǒng)。R2SONIC 2024換能器內(nèi)含發(fā)射與接收換能器，工作頻率為200～400kHz，發(fā)射波束角（腳印分辨率）≤1°，接收波束角≤0.5°，發(fā)射頻率為50Ping/s。垂直航跡方向波束寬度：發(fā)射為140°（165°可選），接收為0.5°；沿航跡方向波束寬度：發(fā)射為1°，接收為27°，量程不小于500m，測深分辨率為6mm。一體化羅經(jīng)和運(yùn)動傳感器內(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)動姿態(tài)以及真北方位角，內(nèi)置有自適應(yīng)升沉預(yù)測濾波器，在任何情況下均能實(shí)時(shí)提供精確、可靠的運(yùn)動姿態(tài)數(shù)據(jù)，一體化羅經(jīng)和運(yùn)動傳感器艏向不大于0.1°，分辨率為0.01°；橫/縱搖不大于0.01°，分辨率為0.001°，涌浪補(bǔ)償精度不大于5cm或滿量程的5%。

輔助設(shè)備包括提供大地坐標(biāo)的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，測量船橫搖、縱搖、艏向、升沉數(shù)據(jù)等的傳感器，所測水域聲速剖面信息的聲速剖面儀等。工作站主要包含數(shù)據(jù)的采集、控制、后期處理、顯示和輸出軟件等[6]。

2.2 多波束測深原理

多波束測深系統(tǒng)利用回聲測深原理，通過換能器的發(fā)射波束模塊在水中發(fā)射聲波，接收波束模塊獲取相應(yīng)的回波，進(jìn)而得到從發(fā)射聲波到回波的時(shí)間，然后利用時(shí)間來計(jì)算水深。多波束測深原理見圖2，發(fā)射波束以船為中軸線，左右對稱呈扇形發(fā)射，并且垂直船航行方向；接收部分平行船航行方向，同樣左右對稱，接收部分略小于發(fā)射部分。兩兩疊加后形成一定數(shù)量的波束腳印[6]。

獲取回波信息后，通過中央小人射角波束的振幅檢測以及其他大多數(shù)波束的相位檢測，能夠解算單一波束的波束中心和某點(diǎn)回波的斜距，進(jìn)而獲得測點(diǎn)水深，其中換能器波束測點(diǎn)水深Dtr和距離中心點(diǎn)的水平位置X（見圖3）可分別表示為式中：C為平均聲速；t為波束測量時(shí)間；θ為接收波束與中央垂線的夾角，即入射角。

多波束測深系統(tǒng)通過發(fā)射波束與接收波束，利用往返回波的時(shí)間確定斜距并得到精確的水深數(shù)據(jù)，進(jìn)而在輔助測量系統(tǒng)GPS的幫助下獲得水下波束的空間位置。

3 黃河下游花園口河段床面形態(tài)的測量方案

黃河下游花園口附近河段為典型的游蕩型河段，花園口水文站是國家基本水文站，在測量過程中可及時(shí)掌握水流流量、含沙量等水沙條件及河道地形條件，調(diào)整測量船的運(yùn)行航線，提高測量效率，也有利于床面演變規(guī)律的研究。本次所選測量河段為花園口斷面至馬莊渠首閘附近約5km長的河段，具體位置見圖4。

3.1 多波束測深系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

多波束測深系統(tǒng)、測量船及GPS系統(tǒng)的安裝、調(diào)試是保證測量順利進(jìn)行及取得可靠數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，應(yīng)合理有序地設(shè)計(jì)換能器、一體化光纖羅經(jīng)和運(yùn)動傳感器、GPS接收機(jī)天線的位置?？紤]到觀測河段水淺沙多，換能器安裝于船舷一側(cè)并固定好，以免產(chǎn)生抖動造成測量數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。一體化光纖羅經(jīng)安裝在靠近測量船重心位置處并固定好，指示方向應(yīng)與船首方向一致，遠(yuǎn)離導(dǎo)磁物質(zhì)或易磁化的物質(zhì)。為了防止船舶搖擺幅度過大影響傳感器的精度，將一體化光纖羅經(jīng)和運(yùn)動傳感器固定在測量船中心處。GPS接收機(jī)天線安裝在船舶高處且視野開闊的地方，安裝要穩(wěn)固，避免船舶姿態(tài)變化使其產(chǎn)生位移。全部設(shè)備完成安裝后，需要精確地測量出各設(shè)備之間的距離，推算它們在整個(gè)系統(tǒng)中的相對位置，從而將這些設(shè)備置于同一個(gè)坐標(biāo)系下，以完成后處理的統(tǒng)一解算。

多波束測深系統(tǒng)調(diào)試包括子系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試以及航行中的調(diào)試。運(yùn)行調(diào)試包括檢查電纜的連接及電源輸出電壓信號的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的通信情況等，可在測船靜止條件下進(jìn)行。航行中的調(diào)試就要對多波束測深系統(tǒng)的各種安裝誤差進(jìn)行校正，包括換能器探頭以及一體化羅經(jīng)和運(yùn)動傳感器的安裝偏差等。校正工作需要在兩種不同的水底地形上進(jìn)行特定的測量，進(jìn)行橫搖、縱搖、艏搖等系統(tǒng)參數(shù)的校正，各個(gè)系統(tǒng)誤差的校正方法是采集特定要求的測線數(shù)據(jù)，在Caris軟件中進(jìn)行處理，得到系統(tǒng)的橫搖、縱搖、艏搖數(shù)據(jù)，校正方法見表1。

3.2 多波束測深系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)后處理

多波束數(shù)據(jù)采集包括水深、定位、姿態(tài)數(shù)據(jù)、水下聲速數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)采集在QINSY軟件中完成，該軟件運(yùn)行在Windows平臺下，界面友好，操作便捷。多波束測深系統(tǒng)測量獲得的數(shù)據(jù)需要體現(xiàn)在地理坐標(biāo)系下。

多波束測深系統(tǒng)利用回聲進(jìn)行測量水深，水越淺泥沙含量越大，越容易在采集數(shù)據(jù)時(shí)形成噪點(diǎn)。因此，必須對測量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪。噪聲處理主要有手動濾波和自動濾波兩種方式，手動濾波采用目視解譯法，處理效果好，但是效率低下；自動濾波效率高，但是處理效果不理想。本文采用自動濾波加手動濾波的方式來處理噪聲。多波束測深系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)有測船坐標(biāo)系統(tǒng)和地理坐標(biāo)系統(tǒng)兩種，測船坐標(biāo)系統(tǒng)就是將各個(gè)子系統(tǒng)的相對位置歸算在一起，測船坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)測船坐標(biāo)系下相應(yīng)測點(diǎn)坐標(biāo)及高程的計(jì)算。

數(shù)據(jù)處理主要在Caris軟件中進(jìn)行，可以實(shí)現(xiàn)多波束數(shù)據(jù)分析、濾波、數(shù)據(jù)合并，生成水底地形曲面圖等，得到完整的水深分布數(shù)據(jù)，并可以輸出多種數(shù)據(jù)格式的數(shù)字地形圖。

4 觀測結(jié)果

花園口段河底地形測量工作于2016年6月28-7月7日進(jìn)行，實(shí)測期河道流量為800～1200m3/s，共測量4次，每次均獲得了約50m河寬的水深分布圖。圖5為2016年7月7日觀測的局部河段水深分布圖。

從圖5可以看出，在花園口站流量為800～1200m3/s時(shí)，測量河段床面形態(tài)主要表現(xiàn)為不均勻的沙壟，沙壟尺度沿河流方向及斷面方向的分布都不均勻，沙壟波長一般在10～50m，波高0.5～1.2m。從觀測河段的整體縱剖面來看，花園口河段床面形態(tài)為復(fù)式沙壟，即存在一個(gè)波長800～1200m、波高3m左右的一個(gè)大沙壟，而上述小尺度沙壟附著在這一大沙壟上。這是第一次在黃河上發(fā)現(xiàn)復(fù)式沙壟特征，是否具有普遍性仍需進(jìn)一步觀測及論證。1959年在花園口河段利用測深桿觀測到的沙壟，波高一般不超過2m，波長一般為數(shù)百米，有時(shí)也可達(dá)1km以上[7]。目前來看，這些觀測反映的應(yīng)該是2016年所觀測到的大沙壟。本次觀測到的黃河下游花園口河段的床面特征與已有觀測結(jié)果基本一致，但是本次觀測提供了更多的床面形態(tài)信息，結(jié)果也更為可靠。

5 結(jié)語

多波束測深系統(tǒng)可在黃河沖積性河流進(jìn)行床面形態(tài)的測量。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件后處理后能夠達(dá)到較高的精度，可以給出黃河下游床面形態(tài)的三維立體圖形，直觀反映床面形態(tài)特征，如波高、波長及沙波的運(yùn)動速度，為黃河下游動床阻力及輸沙能力的研究提供翔實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，也可進(jìn)行河道整治工程沖刷尺度的量測，為黃河防汛搶險(xiǎn)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

黃河下游水淺灘多，部分區(qū)域目前尚無法進(jìn)行測量。如何利用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行黃河淺水區(qū)域的測量，將是今后的研究方向。

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