多波束測深系統(tǒng)在長江河道監(jiān)測中的應(yīng)用

李欽榮

（安徽省長江河道管理局，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

多波束測深系統(tǒng)發(fā)展于 20 世紀(jì) 70 年代，經(jīng)歷了近 50 a 的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展為一項全新水下地形精密探測技術(shù)，它把原先的點線狀擴展到面狀，發(fā)展為立體測圖，可直觀顯示水下地形的地貌[1]。近十幾年來，在高新能工作站、三維顯示裝置、高精度 GNSS 定位、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、高精度羅經(jīng)及其他相關(guān)高新技術(shù)的支撐下，多波束測深系統(tǒng)朝著小型化、實用化方向發(fā)展，多波束測深系統(tǒng)目前在長江已經(jīng)進(jìn)入普及應(yīng)用階段[2]。安徽省長江河道管理局在 2016 年引進(jìn) 2 套多波束測深系統(tǒng)，采用SeaBat7125 多波束測深系統(tǒng)對各重點崩岸區(qū)水下進(jìn)行了監(jiān)測。在實際生產(chǎn)中，對多波束監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)和流程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[3]，積極進(jìn)行了大量嘗試測量，對采集的成果進(jìn)行了斷面和 GIS 軟件分析，為河道監(jiān)測提供了新的方法和技術(shù)。

1 多波束測深系統(tǒng)在河道監(jiān)測中應(yīng)用

長江崩岸嚴(yán)重影響堤防安全，直接制約著長江大保護(hù)的開展，運用多波束測深系統(tǒng)對重點崩岸的監(jiān)測，為完善長江崩岸監(jiān)測體系提供重要的監(jiān)測手段。

1.1 多波束安裝和校準(zhǔn)

多波束換能器采用舷外安裝方式，固定在距測量船艏中前部，該區(qū)域綜合噪聲較低且不容易產(chǎn)生氣泡，前后必須使用鋼絲繩加固拉緊。多波束的橫向、縱向、艏向安裝角度不能偏差太大，要滿足系統(tǒng)安裝的要求，防止計算的校正參數(shù)值過大。盡量在船艏艉連線上安裝光纖，保證羅經(jīng)和船體連為一體，羅經(jīng)表面指向箭頭要指向船艏。船體坐標(biāo)系以換能器與水線的交點為參考原點，人面向船艏方向，X軸正方向是右舷方向，Y軸正方向是船艏方向，Z軸正方向是垂直向上方向。完成建立船體坐標(biāo)系后，要準(zhǔn)確量取設(shè)備在船體坐標(biāo)系中的位置參數(shù)，如 GPS 天線、換能器、姿態(tài)傳感器、光纖羅經(jīng)等三維坐標(biāo)。坐標(biāo)位置參數(shù)量取時，要往返各進(jìn)行1 次，取 2 次中間值作為最終結(jié)果值，讀數(shù)要精確至厘米[4]。設(shè)備安裝如圖 1 所示。

圖 1 多波束測深系統(tǒng)安裝示意圖

1.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集前進(jìn)行了系統(tǒng)自檢，主要包括電壓檢查、1PPS 信號和姿態(tài)傳感器檢測，對設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱、數(shù)據(jù)預(yù)采集等工作，確保測深系統(tǒng)正常運行。在 PDS 軟件中輸入項目的橢球、投影及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，在船體控制文件中輸入量取的船體各個設(shè)備的坐標(biāo)參數(shù)，檢校船舶吃水改正是否正確，采集當(dāng)?shù)厮驅(qū)崟r的聲速剖面文件，檢查測量范圍和導(dǎo)航測線文件是否滿足測量區(qū)域的要求。儀器安裝、比對、校準(zhǔn)等檢查符合要求后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集工作程序[5]。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集是河道水下地形測量的重點，要保障高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集，關(guān)鍵是實行有效的實時監(jiān)控。在數(shù)據(jù)采集過程中，實時監(jiān)控系統(tǒng)各傳感器信號狀態(tài)，觀測測深數(shù)據(jù)的水深信號的質(zhì)量情況和覆蓋范圍。船速要控制得不能太快。根據(jù)水深、船速調(diào)整相應(yīng)數(shù)據(jù)更新率，采集的單個數(shù)據(jù)文件不要過大，防止數(shù)據(jù)處理異常造成數(shù)據(jù)的丟失。當(dāng)某一傳感器狀態(tài)出現(xiàn)異常時，應(yīng)立即停止數(shù)據(jù)采集，直至查明原因。當(dāng)回波信號質(zhì)量不佳時，應(yīng)及時調(diào)整多波束發(fā)射和接收模式，改變參數(shù)，使接收的多波束信號質(zhì)量處于清晰的狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)覆蓋面不足、水深數(shù)據(jù)漏空等測深信號質(zhì)量不滿足精度要求時，必須進(jìn)行補測或重測[6]。

在測量過程中，通過跟單波束測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)多波束測量數(shù)據(jù)點密，能夠更精確地測出水下目標(biāo)物的大小、形狀和高低變化。繪制的等深線更詳細(xì)，也能更真實地反映地形地貌特征，局部地區(qū)能看清沙波和石堆[7]。

2 監(jiān)測分析

監(jiān)測分析方法主要采用固定斷面法和 GIS 沖淤法，監(jiān)測數(shù)據(jù)一般采用 3 期數(shù)據(jù)，分別為基準(zhǔn)、近期和當(dāng)前數(shù)據(jù)。

2.1 固定斷面法

在測區(qū)關(guān)鍵位置設(shè)置固定橫斷面，橫斷面測量采用相同的斷面樁，進(jìn)行固定橫斷面對比監(jiān)測，比例尺為 1∶2 000，進(jìn)行斷面圖套繪。在多波束數(shù)據(jù)中，切取橫斷面的河道高程數(shù)據(jù)，利用高程數(shù)據(jù)把斷面樁相同、測次不同的斷面數(shù)據(jù)繪制在同一張圖上，分別使用不同的顏色和線性表示不同監(jiān)測測次斷面，根據(jù)斷面圖中縱橫坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，計算岸坎和河道水下地形的變化，編寫測量報告[8]。固定斷面對比圖如圖 2 所示，斷面布置及里程如圖 3所示。

圖 2 固定斷面對比圖

圖 3 多波束沖淤分析和里程圖

當(dāng)前數(shù)據(jù)施測日期為 2020 年 11 月，最近數(shù)據(jù)比對用圖的施測日期為 2019 年 10 月，基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對用圖的施測日期為 2009 年 11 月。通過固定斷面圖可以看出：岸坎明顯向后崩塌，水下地形明顯出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象。

2.2 GIS 沖淤法

現(xiàn)以重點崩岸區(qū)安慶市廣成圩為監(jiān)測實例，測區(qū)長 5.1 km，成圖比例為 1∶2 000。該測區(qū)位于安慶市大觀區(qū)廣成圩段，官洲河段北岸，處于該河段河勢變化十分敏感的部位。測區(qū)大多岸線為土質(zhì)坡，大多有崩塌現(xiàn)象，回流區(qū)較多，水下地形比較復(fù)雜。

利用多波束采集汛前、汛后水下地形數(shù)據(jù)，采用 GIS 軟件對近期數(shù)據(jù)（2019 年 10 月）與當(dāng)前數(shù)據(jù)（2020 年 11 月）進(jìn)行沖淤計算分析，紅色代表沖刷，綠色代表淤積[8]，由圖 3 可以看出，所取得成果得到了預(yù)期的效果。為了敘述直觀易懂，圖中使用廣成圩江堤（圖 2 中紅線）的里程樁號表示變化區(qū)域的位置，K代表廣成圩里程，單位為 km。通過沖淤分析和里程圖可以看出：K5 + 000～K6 +500，岸坡有明顯沖刷，崩退寬度較大，近岸局部坡比為1∶2.4，近岸水下呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)。K6 + 500～K7 + 000 近岸水下有一長條沖刷帶，最大沖刷深度可達(dá) 14 m，水下深泓位置向外偏移。K7 + 000～K10 + 000，岸坡變化不大，有輕微的沖刷，近岸局部坡比為 1∶4.0，但河床靠外側(cè)呈明顯沖刷，最大沖刷量可達(dá) 5 m，水下深泓位置略向外偏移。K10 +000～K10 + 800，近岸略有沖刷，近岸局部坡比為1∶4.5，河床外側(cè)呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)，最大可達(dá) 3 m，水下深泓位置基本不變。

總之，廣成圩段上游近岸岸坡有明顯崩塌，河床上、中段外側(cè)沖刷十分明顯，下段區(qū)域呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)，中下游段岸坡變化較小，其深泓區(qū)域變化不大。特別在K5 + 430～K5 + 670，岸線出現(xiàn)嚴(yán)重崩塌，有一處約長為 230 m、寬為 100 m 的大崩窩，應(yīng)加強巡視和監(jiān)測。

3 存在的問題

為及時掌握長江河道變化狀況，安徽省長江河道管理局每年對重點崩岸段、河勢控制部位實施水下地形監(jiān)測，監(jiān)測長度達(dá) 200 余 km，對長江河道監(jiān)測成果進(jìn)行分析，提出長江崩岸預(yù)警基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但在實際使用中也遇到下列問題：

1）多波束系統(tǒng)測量產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極大，后續(xù)內(nèi)業(yè)處理工作也較為復(fù)雜，人工干預(yù)會對處理結(jié)果正確與否產(chǎn)生較大影響。對水急和淺水地區(qū)該系統(tǒng)效率較低，驗證表明：該系統(tǒng)對深水（＞ 3 m）區(qū)域的大比例尺、小范圍的測圖有著傳統(tǒng)測深系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，但不宜進(jìn)行淺水、小比例尺的測量[10]。

2）由于多波束測深系統(tǒng)較為笨重，安裝和外業(yè)操作也較為煩瑣，相比單波束測深系統(tǒng)，多波束測深系統(tǒng)需要投入更多的人力、財力，需要花費更多的時間與精力進(jìn)行外業(yè)操作與內(nèi)業(yè)處理[11]。

3）多波束測深系統(tǒng)的誤差具有復(fù)雜性和隱蔽性。測船、水流、人為、系統(tǒng)參數(shù)、聲波等都會給多波束系統(tǒng)工作帶來的一定的干擾與影響。因此，多波束測量工作必須進(jìn)行周密細(xì)致的布置、切實有效的質(zhì)量控制、科學(xué)正確的精度評估，才能提高多波束測深成果質(zhì)量。

4）在測量及資料處理中，涉及的參數(shù)較多，校準(zhǔn)參數(shù)對測量結(jié)果的正確與否影響很大，還需要加強動態(tài)吃水的測量，船舶姿態(tài)對船舶的深沉有直接的影響，應(yīng)加強測定。

4 結(jié)語

多年來，安徽省長江河道管理局致力于八百里皖江防汛搶險、重點護(hù)岸監(jiān)測，負(fù)責(zé)長江干支流的突發(fā)性崩岸應(yīng)急測量和數(shù)據(jù)分析，全面地掌握了長江流域的現(xiàn)狀條件。近年來，通過多波束測深系統(tǒng)采集了河道和崩岸區(qū)水下數(shù)據(jù)，對長江河道進(jìn)行監(jiān)測，比對分析數(shù)據(jù)，獲得了重點崩岸區(qū)的河勢的準(zhǔn)確變化及趨勢，探索開展崩岸預(yù)警，積極開展崩岸區(qū)守護(hù)，確保長江河勢不發(fā)生大的變化。根據(jù)河道變化特點，安徽省長江河道管理局將加強汛期前后的監(jiān)測，對重點崩岸區(qū)域加大監(jiān)測頻率，對采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立專門的地理信息數(shù)據(jù)庫，方便快捷地進(jìn)行比較分析，提高數(shù)據(jù)利用率，為長江水環(huán)境治理、水資源保護(hù)和水工程的建設(shè)和維護(hù)提供強大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保長江的安瀾。