多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用于長(zhǎng)江上游航道測(cè)量的探討

鄭國(guó)智 王成文

摘 要： 針對(duì)長(zhǎng)江上游航道險(xiǎn)、急、彎、窄、陡等復(fù)雜水情的特殊性，傳統(tǒng)多波束測(cè)量的盲區(qū)主要集中在對(duì)崖壁地形、水下建筑物、淺灘、邊坡和淺水航道的低效測(cè)量。本文通過利用多波束進(jìn)行水下地形測(cè)量以及水下目標(biāo)物探測(cè)的過程中，將側(cè)掃圖像與三維點(diǎn)云圖像相結(jié)合能夠?qū)λ鲁链?、礁石等礙航物進(jìn)行掃測(cè)，對(duì)各類水下建筑物的損毀情況進(jìn)行精細(xì)的調(diào)查;實(shí)現(xiàn)航道測(cè)量與掃床同時(shí)完成，有效提高工作效率。因此，多波束測(cè)深系統(tǒng)正日益受到內(nèi)河測(cè)量航道的認(rèn)可，并在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

關(guān)鍵詞： 多波束測(cè)深系統(tǒng);海洋測(cè)量;數(shù)據(jù)處理;航道

前言

多波束測(cè)深系統(tǒng)，又稱為多波束測(cè)深儀、條帶測(cè)深儀或多波束測(cè)深聲吶等，最初的設(shè)計(jì)構(gòu)想就是為了提高海底地形測(cè)量效率。多波束測(cè)深系統(tǒng)可在測(cè)量斷面內(nèi)形成十幾個(gè)至上百個(gè)測(cè)深點(diǎn)，幾百個(gè)甚至上千個(gè)回向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，從而保證了較寬的掃幅和較高的測(cè)點(diǎn)密度;另一方面，較窄的波束、先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和精密的聲線改正方法的采用，也確保了測(cè)點(diǎn)船體坐標(biāo)的歸位計(jì)算精度，因而多波束測(cè)深具有全覆蓋、高精度、高密度和高效率的特點(diǎn)。

1 ?多波束測(cè)深系統(tǒng)技術(shù)原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(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，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)海底地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚恚淮翁綔y(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。

2 ?多波束測(cè)試概況

2018 年 6月 ，應(yīng)單位的邀請(qǐng)，海卓 MS200淺水型多波束測(cè)深儀廠家到長(zhǎng)江上游航道適用性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)演示測(cè)試。針對(duì)長(zhǎng)江上游航道的特殊性及作業(yè)需求，結(jié)合多波束測(cè)深性能和特點(diǎn)，演示重點(diǎn)進(jìn)行了如下三個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）任意角度傾斜測(cè)量--采用傾斜測(cè)量的方式對(duì)水下淺灘或建筑物進(jìn)行測(cè)量，重點(diǎn)測(cè)試多波束的任意角度傾斜測(cè)量功能的可靠性和測(cè)量效果的一致性。

（2）航道水深測(cè)量--針對(duì)長(zhǎng)江航道日常測(cè)量作業(yè)要求，考察多波束的測(cè)深功能和側(cè)掃功能，重點(diǎn)測(cè)試多波束免安裝校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)拼接和測(cè)量效果。

（3）航道障礙物掃測(cè)--對(duì)水下沉船或其他礙航物進(jìn)行掃測(cè)，重點(diǎn)考察多波束的水下目標(biāo)物的探測(cè)功能及分辨率。

3 ?測(cè)量實(shí)施

3.1 ?系統(tǒng)組成

本次測(cè)量采用了海卓 MS200淺水型多波束測(cè)深系統(tǒng)，與其他多波束測(cè)深相比，其最大的特點(diǎn)是采用了一體化設(shè)計(jì)，水下聲納換能器集成了光纖羅經(jīng)姿態(tài)傳感器、表面聲速儀，水上處理單元集成了 GNSS 定位系統(tǒng)，使得整個(gè)系統(tǒng)僅有換能器電纜、GNSS 天線饋線、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線和電源線等四條連線，使設(shè)備的連接使用大大簡(jiǎn)化。定位定位設(shè)備采用海卓 MS200多波束測(cè)深系統(tǒng)內(nèi)置的GNSS單點(diǎn)定位模式，坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)深數(shù)據(jù)采集和處理，投影采用 UTM 投影。

3.2 ?傾斜測(cè)量小結(jié)

（1）崖壁地形、水下建筑物等原有測(cè)量盲區(qū)安全測(cè)量 利用海卓 MS200 的任意角度傾斜安裝功能，在不進(jìn)行任何安裝校準(zhǔn)的情況下，能夠有效對(duì)水下崖壁進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量。在傾斜測(cè)量過程中，可以使測(cè)量船遠(yuǎn)離水下礁石、建筑物等，從而有效保障測(cè)量安全。

（2）保障航道淺灘地形高效測(cè)量針對(duì)淺水平坦水域能夠有效提高測(cè)量效率，單側(cè)覆蓋寬度可達(dá)8倍水深以上，若采用雙探頭 V 型安裝方案，可實(shí)現(xiàn)16倍水深以上的高效覆蓋，有效解決長(zhǎng)江上游淺水航道的高效測(cè)量問題。

3.3 沉船掃測(cè)

海卓 MS200 地形測(cè)量具有高分辨、高精度和高精細(xì)度的特點(diǎn)，可以對(duì)沉船 在水底位置、形態(tài)進(jìn)行精細(xì)測(cè)量。依次為沉船的平面 彩圖、三維模型圖和三維點(diǎn)云圖，從多個(gè)角度分別給出了沉船的位置、沉船的三維形態(tài)分布。海卓 MS200 采集軟件中，可以對(duì)沉船的大小、高度等信息進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，為后續(xù)的沉船清理工作提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4 ?礁石掃測(cè)

通過三維地形圖，可以清晰的分辨水底的礁石等其他目標(biāo)物。航道邊坡附近的大塊礁石和邊緣的小尺寸礁石的分布、大小等特征信息都可以清晰的顯示。

除利用測(cè)深功能獲得的水下地形外，還可以根據(jù)海卓 MS200 側(cè)掃成像功能輸出的側(cè)掃圖像判別水底目標(biāo)，右側(cè)給出了航道邊坡和附近小目標(biāo)的三維地形，紅色方框范圍內(nèi)地形和目標(biāo)，在左側(cè)的側(cè)掃圖像中，對(duì)應(yīng)顯示了目標(biāo)的圖像。

3.5 水下目標(biāo)物掃測(cè)小結(jié)

海卓 MS200 多波束測(cè)深系統(tǒng)可以對(duì)航道和邊坡進(jìn)行精細(xì)化的地形測(cè)量和清晰的側(cè)掃圖像測(cè)量功能。通過以上功能，可以對(duì)水下沉船、礁石等礙航物進(jìn)行掃測(cè)，也可以對(duì)丁壩等水下建筑物的損毀情況進(jìn)行精細(xì)的調(diào)查;水下目標(biāo)物掃測(cè)功能為礙航物的清理、水下建筑物的維護(hù)決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

3.6 ?測(cè)量數(shù)據(jù)融合

由于海卓 MS200 多波束系統(tǒng)內(nèi)置高精度光纖慣導(dǎo)且具備免安裝校準(zhǔn)功能， 有效保證不同模式下的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高吻合度拼接，使得傾斜安裝測(cè)量的航道兩岸邊坡數(shù)據(jù)和水平安裝測(cè)量的航道數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行無縫數(shù)據(jù)融合。

3.7 ?實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)融合

海卓 MS200 多波束系統(tǒng)的導(dǎo)航采集軟件具備實(shí)時(shí) DTM 構(gòu)網(wǎng)和顯示功能。 在完成針對(duì)航道邊坡的傾斜測(cè)量后，進(jìn)行水平安裝航道測(cè)量時(shí)，采集軟件實(shí)時(shí)顯示水下地形 DTM 圖，水平安裝測(cè)量的結(jié)果與之前傾斜測(cè)量的結(jié)果能夠很好的吻合，兩次測(cè)量的重疊部分一致性高，無明顯拼接痕跡。

4 ?測(cè)試結(jié)論

通過此次針對(duì)海卓 MS200 的三個(gè)主要測(cè)試項(xiàng)目的過程和測(cè)量成果的分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）利用傾斜安裝測(cè)量方式能夠解決傳統(tǒng)多波束測(cè)量盲區(qū)的問題針對(duì)長(zhǎng)江航道，傳統(tǒng)多波束測(cè)量的盲區(qū)主要集中在對(duì)崖壁地形、水下建筑物、淺灘、邊坡和淺水航道的低效測(cè)量。通過此次測(cè)試可以證明，利用海卓 MS200 的任意角度傾斜測(cè)量功能可高效的對(duì)上述盲區(qū)地形進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，傾斜測(cè)量的結(jié) 果能夠與常規(guī)模式測(cè)量結(jié)果完全吻合。

（2）完全免安裝校準(zhǔn)功能能夠有效減輕多波束測(cè)量的工作量 通過傾斜測(cè)量和常規(guī)模式測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和拼接可以證明，采用一體化設(shè)計(jì)的海卓 MS200 多波束測(cè)深系統(tǒng)在免安裝校準(zhǔn)情況先的測(cè)量結(jié)果能夠達(dá)到長(zhǎng)江航道水下測(cè)量的要求。同時(shí)采用一體化設(shè)計(jì)，連線減少，不需要進(jìn)行復(fù)雜的安 裝校準(zhǔn)工作，可大大提高航道測(cè)量的外業(yè)工作效率，降低外業(yè)工作強(qiáng)度。

（3）地形和地貌同時(shí)測(cè)量能夠有效提高各種水下目標(biāo)物的檢測(cè)和判斷通過測(cè)試過程可以證明，利用多波束進(jìn)行水下地形測(cè)量以及水下目標(biāo)物探測(cè)的過程中，將側(cè)掃圖像與三維點(diǎn)云圖像相結(jié)合能夠?qū)λ鲁链?、礁石等礙航物進(jìn)行掃測(cè)，對(duì)各類水下建筑物的損毀情況進(jìn)行精細(xì)的調(diào)查;實(shí)現(xiàn)航道測(cè)量與掃床同 時(shí)完成，有效提高工作效率。

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