航道水深測(cè)量的技術(shù)應(yīng)用探討

李汪

【摘要】如今，我國的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，促進(jìn)了海洋測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步。航道水深測(cè)量技術(shù)朝著數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，在信息化背景下，水深測(cè)量實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。本文分析多波束測(cè)量水深系統(tǒng)的應(yīng)用流程和實(shí)際應(yīng)用，從而進(jìn)一步提升水深測(cè)量的精確性。

【關(guān)鍵詞】水深;測(cè)量;多波束

在海洋測(cè)繪環(huán)節(jié)中，水深測(cè)量和定位是兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。因此，通過建立海洋空間三維坐標(biāo)的方式，提升測(cè)繪的精確度。通過水深測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，可以節(jié)省勞動(dòng)力，提升測(cè)量精度。

1、水下測(cè)深系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

多數(shù)波測(cè)深技術(shù)是現(xiàn)代水下探測(cè)新興技術(shù)，其融合了空間測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)，可以對(duì)水下深度進(jìn)行高精度測(cè)量。通過運(yùn)動(dòng)傳感器和掃描圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了深度測(cè)量圖像和數(shù)據(jù)的收集。在大面積水深測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。以O(shè)dom ES3多波束測(cè)深儀為例說明。

1.2系統(tǒng)特征

Odom ES3多波束測(cè)深儀采用帶狀方式測(cè)量，波束可以實(shí)現(xiàn)不間斷的發(fā)射，系統(tǒng)在水下可以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。與單波束系統(tǒng)相比，多波束系統(tǒng)的波束覆蓋面廣，也可以對(duì)水下細(xì)微地形的變化進(jìn)行觀察。單波束只能通過點(diǎn)、線進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，然而多波束可以實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境的整體分析，多波束探測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)可靠性非常高，結(jié)合水深特點(diǎn)獲取不同的數(shù)據(jù)，單波束僅僅是將斷面的數(shù)據(jù)收集起來，數(shù)據(jù)采集程度不夠，在等值線繪制中會(huì)存在偏差。發(fā)射換能器向水底投射覆蓋扇區(qū)，可以獲得動(dòng)態(tài)化的聚焦波束載波數(shù)，散射結(jié)束后可以形成散射強(qiáng)度圖像，便于觀察水深和水下地形特征。多波束測(cè)深系統(tǒng)在應(yīng)用中，可以借助運(yùn)動(dòng)傳感器對(duì)航行數(shù)據(jù)及時(shí)收集，并且對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)校正，及時(shí)的反映水深。采用后處理軟件，可以結(jié)合數(shù)據(jù)繪制出水下地形圖，從而更加形象的監(jiān)測(cè)水深。

2、水深測(cè)量實(shí)施

2.1高程控制

在高程控制中要采用高精度電子水準(zhǔn)儀，測(cè)量平差要結(jié)合交通部門頒布的水運(yùn)《工程測(cè)量規(guī)范》執(zhí)行。

2.2水位控制

水位控制采用RTK-WGPS人工智能計(jì)算水位，在水深測(cè)量之前，及時(shí)記錄水位。水深測(cè)量之后要及時(shí)將水深記數(shù)據(jù)記錄下來，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量作業(yè)的數(shù)據(jù)應(yīng)該由監(jiān)理工程師進(jìn)行監(jiān)督，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，如果不能滿足測(cè)量規(guī)范要及時(shí)的進(jìn)行二次測(cè)量。

2.3施工測(cè)量

在相關(guān)部門提供的現(xiàn)有控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上計(jì)算出平面高程并校驗(yàn)其精度，在獲得了轉(zhuǎn)換參數(shù)后，確定好全球定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站的位置，結(jié)合原有的控制點(diǎn)進(jìn)行定位系統(tǒng)的架設(shè)，從而提升數(shù)據(jù)分析的精確性。在基準(zhǔn)站建設(shè)完成后，應(yīng)該對(duì)設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，確保數(shù)據(jù)精確性。全球定位系統(tǒng)移動(dòng)站建設(shè)中，在已知點(diǎn)確定的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該設(shè)計(jì)移動(dòng)站，移動(dòng)站的建設(shè)也要結(jié)合參數(shù)進(jìn)行校正與審查。在獲取轉(zhuǎn)換參數(shù)后，確定好設(shè)備的坐標(biāo)，及時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，建立任務(wù)，設(shè)置好坐標(biāo)系投影。

在水深測(cè)量環(huán)節(jié)應(yīng)該結(jié)合航行模式采用橫斷面法施測(cè)，用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，用回聲探測(cè)的方法對(duì)回聲進(jìn)行收集測(cè)定水深。根據(jù)比例尺的大小確定水深點(diǎn)采集的密度，采用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化的探測(cè)，通過信息鏈和便攜式計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析形成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，測(cè)深軟件實(shí)現(xiàn)平面定位信息與水深同步采集，并記錄，形成原始測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.4數(shù)據(jù)處理

在水深測(cè)量環(huán)節(jié)中，應(yīng)該對(duì)水位站的位置進(jìn)行控制，采用數(shù)據(jù)編輯功能，采集橢球的參數(shù)。在設(shè)備管理中應(yīng)該對(duì)驅(qū)動(dòng)類設(shè)備的波特率進(jìn)行獲取，在水深測(cè)試成功后，及時(shí)存儲(chǔ)。完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，用測(cè)量軟件進(jìn)行后期處理，將原始數(shù)據(jù)加入水位改正、姿態(tài)改正等信息，形成水深圖和統(tǒng)計(jì)報(bào)告。

2.5水深測(cè)量誤差分析

當(dāng)水位發(fā)生變化后，在水深測(cè)量中深度也會(huì)發(fā)生變化，在水深測(cè)量環(huán)節(jié)應(yīng)該對(duì)連續(xù)采集水深點(diǎn)進(jìn)行分析，分析水深點(diǎn)之間的間距，如果水深點(diǎn)間距比較小，應(yīng)該采用主線取樣的方式，找出交點(diǎn)，通過確定交點(diǎn)的位置定義，計(jì)算交點(diǎn)的時(shí)間，計(jì)算出水深，然后生成交點(diǎn)水深數(shù)據(jù)，通過普通取樣的方式，將水深刻度標(biāo)識(shí)在文件中。

3、多波束測(cè)深系統(tǒng)在航道疏浚量化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的水下監(jiān)測(cè)中，一般是采用單波束探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)，結(jié)合線性探測(cè)的方式對(duì)水下的地形進(jìn)行分析，這種探測(cè)方式工作量大，而且精度不足，不能在大比例尺的情況下進(jìn)行水深探測(cè)。采用多波束探身系統(tǒng)，提升了水深測(cè)量的效率，結(jié)合高分辨率和高精度特征，確保全面覆蓋探測(cè)。結(jié)合水下地形的微妙變化，完成水下工程的探測(cè)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用規(guī)格網(wǎng)來形成水下探測(cè)分塊處理，在航道疏浚環(huán)節(jié)中，有時(shí)水深較大，水深并不能采用可視化的方式展示出來，從而不能分析航道疏浚的變化情況。在考慮到水下地形多變性和復(fù)雜性特征，在水深探測(cè)中盡量減少計(jì)算提升探測(cè)精確性。采用規(guī)格網(wǎng)的方法，可以收集不同時(shí)間采集的數(shù)據(jù)，通過多波束水下地形數(shù)據(jù)的生成，可以結(jié)合水深值將數(shù)據(jù)插入確保結(jié)果的精確性，采用擬合曲面進(jìn)行求差計(jì)算，從而確保航道疏浚順利進(jìn)行。在水深計(jì)算中，采用D=CT進(jìn)行計(jì)算，D是換能器到水底的距離，C是水體的平均速度，T是聲波往返的傳播速度。

采用多波束系統(tǒng)收集到的云數(shù)據(jù)處于大規(guī)模離散狀態(tài)，因此在云數(shù)據(jù)使用中，應(yīng)該集成數(shù)據(jù)，找出數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，結(jié)合水下地形的特征，從而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的差異是由于地形變化導(dǎo)致。采用濾波技術(shù)后離散數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的差異減小，通過曲面重建的方式，結(jié)合函數(shù)逼近理論，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，建立了離散數(shù)據(jù)函數(shù)，通過繪制函數(shù)圖形的方式得得到水深數(shù)據(jù)。

采用加權(quán)移動(dòng)平均算法的方式，對(duì)濾波數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化處理，加權(quán)移動(dòng)平均算法可以將離散的分布數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的方式，從而可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和抽取處理。在離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)上，通過規(guī)則網(wǎng)格的加入，可以形成連續(xù)的函數(shù)圖像。該方法非常的靈活，并且提升了水深探測(cè)的精確度，簡(jiǎn)化了計(jì)算量，不需要大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存在。離散點(diǎn)分布選擇中，一般要考慮以下幾個(gè)因素，要在大面積范圍內(nèi)選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)的選擇應(yīng)該結(jié)合計(jì)算插補(bǔ)的點(diǎn)。這兩個(gè)因素應(yīng)該結(jié)合具體情況范圍的大小，要以某個(gè)差值點(diǎn)為圓心確定好半徑。如果原始點(diǎn)數(shù)不能均勻的分布，在二次曲面方程求解中要采用足夠數(shù)量的點(diǎn)才能找出原始數(shù)據(jù)點(diǎn)分布的規(guī)律。

結(jié)語：

在水深測(cè)量中，應(yīng)該采用各類航道工程技術(shù)，在單波束水深測(cè)量的基礎(chǔ)上，采用多波束測(cè)量。準(zhǔn)備好硬件配套設(shè)施，提升數(shù)據(jù)采集的效率，從而發(fā)揮水深測(cè)量技術(shù)的效果，提升測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，促進(jìn)航道工程測(cè)量工作的進(jìn)一步開展。

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