NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)在寧波市三江河道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

曹公平，周小峰，凌 佳，徐 浩

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020；2. 寧波市河道管理中心，浙江 寧波 315020）

甬江是浙江省八大水系之一，由姚江和奉化江兩江匯合于寧波市區(qū)的三江口，經(jīng)鎮(zhèn)?？诹魅霒|海。三江河道在防洪、航運(yùn)、城市景觀等方面發(fā)揮著重要作用，是寧波市社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。采用NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)開展三江河道監(jiān)測(cè)工作，為河道數(shù)字化、信息化與精細(xì)化管理提供更加豐富的水下三維空間信息，是完善三江河道監(jiān)測(cè)體系的一項(xiàng)重要舉措。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

NORBIT iWBMS集多波束聲吶基陣、高精度衛(wèi)星/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、表面聲速計(jì)于一體，是一款高度集成、高分辨率的高端多波束測(cè)深系統(tǒng)。水下單元集成POS MV（Position and Orientation Systems for Marine Vessels）WaveMaster慣導(dǎo)系統(tǒng)（INS），為船載測(cè)量員提供較好的數(shù)據(jù)采集體驗(yàn)；利用集成聲速探頭在寬波段上使用窄波束，顯著減少波束傳播；曲面陣列允許更寬容聲吶領(lǐng)域的表面聲速變化，完成最先進(jìn)的信號(hào)增益補(bǔ)償和專有的振幅、相位檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)底部進(jìn)行精確和可重復(fù)檢測(cè)；傳輸聲吶可以掃描20個(gè)沿軌道扇區(qū)，實(shí)現(xiàn)三維掃描。

NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)提供多種緊密集成的水深測(cè)繪方案，具有高度集成、寬覆蓋掃測(cè)、免校準(zhǔn)操作、安裝方便、便于攜帶、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)表

續(xù)表1

1.2 工作原理

NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向水底發(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)水底地形的照射腳印并對(duì)其進(jìn)行處理，一次探測(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多水底測(cè)點(diǎn)的水深值，從而能夠精確、快速地測(cè)量沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，描繪水下地形的三維特征。

NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)通過對(duì)水下地形地貌進(jìn)行大范圍全覆蓋測(cè)量及實(shí)時(shí)聲吶圖像顯示，結(jié)合全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK），迅速獲得各種比例尺的水下地形圖、DTM數(shù)字地面模型，測(cè)量成果可以精確反映水下細(xì)微的地形變化和目標(biāo)物情況，極大提高測(cè)量精度和效率。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 項(xiàng)目水域概況

三江河道是寧波市主要行洪排澇通道，也是溝通內(nèi)陸與外海的重要海運(yùn)通道。姚江屬平原型河流，從新江口至姚江閘段長(zhǎng)79.1 km，河床平坦，逶迤曲折，平均水深約5.0 m；奉化江方橋至三江口河道長(zhǎng)27.7 km，河道曲折多灣，系感潮河段，平均水深約5.0 m；甬江干流指姚江、奉化江匯合于寧波市區(qū)的三江口后至鎮(zhèn)海游山外出口段，全長(zhǎng)26.3 km，平均水深約5.7 m，為寧波市主要航道及姚江、奉化江主要出海通道。

為便于說明NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)在三江河道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況，更直觀地展示水下三維測(cè)量成果，選取奉化江江夏橋至長(zhǎng)豐橋段4.3 km河道進(jìn)行重點(diǎn)介紹，該段河道地處寧波市中心城區(qū)，河道最寬處約152.0 m，最窄處僅84.0 m，且堤腳外39.7 m內(nèi)高度落差達(dá)11.6 m，坡度為29%，具有一定代表性。

2.2 實(shí)施過程

2.2.1 測(cè)線布設(shè)

為實(shí)現(xiàn)測(cè)量區(qū)域全覆蓋，主測(cè)線布設(shè)方向與河道走向一致，主測(cè)線根據(jù)測(cè)區(qū)水深減去換能器吃水的2.5倍間距布設(shè)，主測(cè)線重疊率大于30%；河道邊緣等斜坡以及碼頭等不便測(cè)量區(qū)域，NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)開角設(shè)定為140°。共計(jì)布設(shè)奉化江江夏橋至長(zhǎng)豐橋段4.3 km河道主測(cè)線160.0 km，檢查線與主測(cè)線垂直，按總里程不少于主測(cè)線1%進(jìn)行布設(shè)。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)深選用測(cè)量船，船長(zhǎng)4.96 m，寬2.38 m，吃水1.30 m。將船重心位置設(shè)為參考點(diǎn)建立船體坐標(biāo)系，船舷左側(cè)方向定義為X軸正方向，船頭方向定義為Y軸正方向，垂直向上方向定義為Z軸正方向。NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝在船體左弦靠近參考點(diǎn)的位置，其中換能器安放在船體左舷距離參考點(diǎn)最近的位置并進(jìn)行固定；GNSS數(shù)據(jù)接收天線安放在較高的羅經(jīng)甲板上，避免船上桅桿遮擋及無線電波干擾。依據(jù)三江河道實(shí)測(cè)地形資料，測(cè)深時(shí)換能器探頭向外傾斜15°，這樣既避免測(cè)量過程中產(chǎn)生晃動(dòng)和下沉等情況影響測(cè)量精度，又可有效擴(kuò)大河道邊坡的覆蓋范圍，獲取淺水?dāng)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全覆蓋測(cè)量。

2.2.2.2 聲速改正

由于水體中水聲速結(jié)構(gòu)的不均勻性，導(dǎo)致聲波傳播方向改變，形成聲速彎曲，直接影響測(cè)深精度。因此，測(cè)深前使用聲速剖面儀分時(shí)分段進(jìn)行人工測(cè)量獲取數(shù)據(jù)，通過軟件完成聲速改正十分 重要。

2.2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

設(shè)備安裝完成后，通過軟件對(duì)換能器安放位置相對(duì)于船體重心位置進(jìn)行姿態(tài)校準(zhǔn)，對(duì)GNSS數(shù)據(jù)接收天線的位置進(jìn)行姿態(tài)改正，同時(shí)對(duì)其他儀器設(shè)備進(jìn)行檢查調(diào)試，觀察運(yùn)行狀態(tài)、信號(hào)接收質(zhì)量等情況，確定無誤后可開展測(cè)量作業(yè)。施測(cè)時(shí)，航速保持穩(wěn)定，控制在4～6節(jié)。用NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)配套的顯控軟件和導(dǎo)航軟件完成設(shè)備工作控制、數(shù)據(jù)采集顯示和測(cè)量導(dǎo)航功能。測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)采集航跡線見圖1。

圖1 測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)采集航跡線圖

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)各傳感器上獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要有人機(jī)交互式編輯和自動(dòng)濾波2大類。人機(jī)交互式編輯采用人機(jī)交互界面，直觀性較強(qiáng)，可靠性較高，但工作效率較低，編輯結(jié)果與操作者能力、經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，具有一定的主觀性；自動(dòng)濾波采用數(shù)學(xué)處理方式，通過軟件設(shè)定各項(xiàng)合理的過濾參數(shù)刪除大部分假信號(hào)，從而獲取真實(shí)數(shù)據(jù)，工作效率高，但處理結(jié)果的可靠性與所采用的數(shù)學(xué)方法有關(guān)，具有一定的不確定性。此次采用人機(jī)交互和自動(dòng)濾波相結(jié)合的數(shù)據(jù)編輯方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理 工作。

2.3 精度評(píng)估

（1）比對(duì)板驗(yàn)證：為進(jìn)一步驗(yàn)證NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)的絕對(duì)測(cè)深精度，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)區(qū)水域內(nèi)進(jìn)行多次比對(duì)板測(cè)試。將比對(duì)板吊放在多波束換能器下方，調(diào)節(jié)吊放深度，在不同深度點(diǎn)處進(jìn)行比測(cè)，結(jié)果顯示：1 min連續(xù)觀測(cè)深度值變化在±5 cm范圍內(nèi)，說明NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，測(cè)量精度可靠。

（2）內(nèi)符合精度：與相鄰測(cè)線的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，符合度在10 cm以內(nèi)，表明設(shè)備具有非常高的測(cè)量?jī)?nèi)符合精度。

（3）與單波束測(cè)量結(jié)果比對(duì)：將單波束檢查線測(cè)量的水深數(shù)據(jù)與NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)主測(cè)線水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)檢查點(diǎn)數(shù)共162個(gè)。深度比對(duì)互差在±10 cm以內(nèi)占比為85.8%，在±20 cm以內(nèi)占比為10.5%，在±30 cm以內(nèi)占比為3.7%。經(jīng)數(shù)據(jù)分布情況核驗(yàn)，河道中間較平坦水域深度比對(duì)互差在10 cm以內(nèi)，深度比對(duì)互差在20～30 cm的情況主要出現(xiàn)在河道邊坡處或水深變化大的斜坡處，符合JTS 131 2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》對(duì)測(cè)深深度比對(duì)互差（水深≤20 m，互差≤0.4 m）的要求。

2.4 數(shù)據(jù)成果展示

通過合理布設(shè)測(cè)線，嚴(yán)格控制作業(yè)過程，科學(xué)處理數(shù)據(jù)，圓滿完成測(cè)量任務(wù)。NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)在于測(cè)點(diǎn)密集、分辨率高、覆蓋范圍廣，能夠更加精準(zhǔn)地測(cè)出水下目標(biāo)物，彌補(bǔ)單波束測(cè)量無法做到全覆蓋、無遺漏的技術(shù)缺陷；根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模擬時(shí)，可通過軟件在區(qū)域內(nèi)任意位置截取剖面生成斷面圖，并直觀呈現(xiàn)水下三維圖（見圖2），能夠展示更細(xì)致、更全面、更準(zhǔn)確的模擬現(xiàn)狀。

此外，根據(jù)實(shí)測(cè)資料初步確定測(cè)量區(qū)域內(nèi)存在5條沉船（見圖3），通過對(duì)NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，可以準(zhǔn)確得到沉船的數(shù)量、位置、長(zhǎng)度、寬度等數(shù)據(jù)。

圖2 水下斷面設(shè)置及水下三維圖

圖3 水下沉船三維分布圖

3 應(yīng)用價(jià)值

（1）安全保障方面。測(cè)量區(qū)域?yàn)橥ê胶降?，傳統(tǒng)的單波束測(cè)量技術(shù)往往需要垂直于河道中心線進(jìn)行走航作業(yè)，與正常船舶通航交叉作業(yè)時(shí)，存在礙航碰撞的安全風(fēng)險(xiǎn)，利用NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量可以避免該風(fēng)險(xiǎn)，在安全保障方面起到重要作用。

（2）質(zhì)量控制方面。與傳統(tǒng)單波束測(cè)量相比，NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)可以更好地進(jìn)行水下面域測(cè)量。較高的覆蓋深度及覆蓋面域使其能夠?qū)崿F(xiàn)水下地形的準(zhǔn)確監(jiān)控，更加適合開展涉河相關(guān)工序的監(jiān)測(cè)，有效管控成果質(zhì)量。

（3）經(jīng)濟(jì)效益方面。通過成果展示， NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)使用便捷、高效，覆蓋范圍廣，能夠在淺水區(qū)域更直觀地反映地形地貌特征，精確測(cè)量水下目標(biāo)物的形狀、大小和高低變化，減少測(cè)量成本，提高工作效率。

4 結(jié) 語

NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)在寧波市三江河道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，科學(xué)、真實(shí)地反映測(cè)區(qū)河床的水下三維一體化現(xiàn)狀，為相關(guān)河道沖刷研究、涉河監(jiān)管等工作提供可靠依據(jù)。NORBIT iWBMS多波束測(cè)深系統(tǒng)在河道監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用日趨成熟，測(cè)量高效性、測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及高密度性使其具有廣闊的應(yīng)用前景。