應(yīng)用多波束的海洋工程測量技術(shù)研究

王昆

摘 要：本文基于筆者多年從事航道測量工程的相關(guān)工作經(jīng)驗，以SEABAT8125多波束測深系統(tǒng)在天津某航道疏浚工程中的應(yīng)用為研究對象，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(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：多波束測深系統(tǒng) 航道疏浚 數(shù)據(jù)處理 導航

中圖分類號：P229.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（c）-0052-02

1 工程概況

天津某港30萬噸級航道工程是按照已投入使用的25 萬噸級航道的軸線，進一步浚深，全長54.90km。外航道設(shè)計底寬310m，底標高-21.6m，邊坡1∶5；內(nèi)航道設(shè)計底寬310m，底標高-21.9m，邊坡1∶5。

2 多波束測深系統(tǒng)安裝測試

本工程中投入SEABAT8125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(shè)計位置進行安裝，并量測DGPS接收機天線、多束換能器、運動傳感器（TTS）、電羅經(jīng)等相對船體坐標系原點的位置關(guān)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)處理時進行相應(yīng)的改正。

2.1 電羅經(jīng)傳感器的安裝

電羅經(jīng)的安裝位置有著嚴格的要求，電羅經(jīng)傳感器應(yīng)安裝在船舶中心附近，電羅經(jīng)指示方向應(yīng)與船首方向一致，并且要求在船體坐標系的水平面內(nèi)。安裝位置應(yīng)遠離導磁物質(zhì)或易被磁化的物質(zhì)；電羅經(jīng)與較大的鐵性物體、強電流的電線及電池組至少保持1.3～1.5m的距離；一些電子設(shè)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(jīng)的正常工作，使其測出的方向數(shù)據(jù)失真或干憂，應(yīng)遠離它們。

2.2 運動傳感器（運動補償儀，TTS）的安裝

運動傳感器應(yīng)固定安裝，并盡可能與水平面平行；運動傳感器離船舶重心越遠，船舶縱橫傾幅度越大，產(chǎn)生的測量誤差也越大，所以安裝位置應(yīng)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(yīng)與船首方向一致，否則將產(chǎn)生反向改正，造成嚴重誤差。

2.3 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(jié)構(gòu)，同時還應(yīng)考慮多波束測深系統(tǒng)使用的水域。如在內(nèi)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，宜采用船舷固定安裝。安裝時要注意固定好，以免測量換能器產(chǎn)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。

2.4 DGPS接收機天線的安裝

DGPS接收機天線應(yīng)安裝在船舶高處（低于避雷針），視場內(nèi)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(chǎn)生位移；天線位置應(yīng)選擇遠離船體大型金屬物體結(jié)構(gòu)，距甲板高度至少在1.5m以上，減少信號多路徑效應(yīng)。

系統(tǒng)安裝后，應(yīng)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，以及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(shè)測多條往返重復(fù)測線進行橫傾、縱傾、定位延遲、電羅經(jīng)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，必須要做的工工作。

3 定位導航

本項目水深測量作業(yè)平面定位擬全部采用RBN-DGPS技術(shù)實施。由于GPS獲取的是WGS-84坐標，而測量成圖所用的坐標系為當?shù)刈鴺讼?。因此，在測量前必須先求取WGS-84到當?shù)刈鴺讼抵g的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)。

WGS-84坐標系至當?shù)刈鴺讼抵g的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)可直接利用業(yè)主控制點（業(yè)主提供或從當?shù)販y繪主管部門購買）中2～3個控制點求取。為檢驗坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)的準確度，使用RBN-DGPS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(zhuǎn)換參數(shù)的準確性，比對結(jié)果滿足規(guī)范要求方可投入使用。DGPS信標接收機接收交通部設(shè)立在洲島上定位系統(tǒng)的差分數(shù)據(jù)進行平面定位。

4 測量與數(shù)據(jù)處理

4.1 掃道設(shè)計和測線布設(shè)

（1）掃道方向。

在掃道方向設(shè)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(shè)計順著航道方向布設(shè)。

（2）掃道寬度。

Atlas Fansweep20的掃道設(shè)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(shè)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(cè)數(shù)據(jù)填滿屏幕顯示的設(shè)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1.5mm，定位點記錄中誤差為圖上0.5mm。

重疊帶寬度計算如下：

式中，S為多波束掃側(cè)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)上述的要求對該港航道進行測線布設(shè)：多波束測線平行于航道布設(shè)，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(nèi)全覆蓋測量。具體布設(shè)局部區(qū)段示意圖見圖1。

4.2 測量實施和數(shù)據(jù)后處理

多波束測量使用的是PDS2000測量軟件，軟件同步采集DGPS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(jīng)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(yù)處理和成圖兩個部分。預(yù)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(yù)處理后得到的水深數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化，生成數(shù)字地形模型（DTM），形成海底地形圖。

4.3 成果應(yīng)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，保證疏浚質(zhì)量。得到的多波束數(shù)據(jù)能很直觀地反映出施工時遺漏的淺點，以及疏浚效能的分布。這一點通過單波束測量手段是無法做到的。如圖2所示，抽取一次多波束測量后處理得到航道區(qū)域內(nèi)三維立體效果圖。從圖中可以清晰地看到耙吸式挖泥船作業(yè)痕跡和施工效果。

參考文獻

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[2] 張紅梅，趙建虎，周豐年.GPS高程信號和Heave信號融合方法研究[J].科技創(chuàng)新導報，2014（11）：22-26.