MS400多波束測(cè)深儀在正峽段治理工程測(cè)量中應(yīng)用

張效鋒

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230000)

安徽省淮河干流正峽段行洪區(qū)建設(shè)與調(diào)整工程項(xiàng)目位于淮河中游淮南市境內(nèi)，項(xiàng)目涉及淮南市壽縣、毛集試驗(yàn)區(qū)和鳳臺(tái)縣，總投資62.1億元。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容較多，其中有25km淮河干流河道疏浚，規(guī)劃疏浚規(guī)模為：底寬330m，底高程12.0m～10.0m，邊坡1∶4，疏浚后能夠極大提高該段河道泄洪能力。疏浚計(jì)量采用斷面法，為防止施工圖階段與初設(shè)階段河道疏浚土方量產(chǎn)生較大誤差，2018年10月中旬，采用GPS RTK配合MS400多波束測(cè)深儀對(duì)初設(shè)的245條(間距約100m)河道斷面進(jìn)行復(fù)核測(cè)量。

1 MS400多波束在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

MS400多波束測(cè)深儀是該設(shè)備在項(xiàng)目中的首次應(yīng)用，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，首先選了觀測(cè)條件較好的7km河段作為測(cè)試段，并采用兩種測(cè)量手段對(duì)儀器的可靠性進(jìn)行校核。

1.1 不同行駛方向進(jìn)行對(duì)比

采用兩種不同的航行方向，通過重合點(diǎn)進(jìn)行校核。測(cè)量船沿河道等深線方向行駛，即順?biāo)鞣较?，該方向根?jù)水深和開角(120°)對(duì)航線進(jìn)行設(shè)計(jì)，使河床能夠全覆蓋掃描測(cè)量。

測(cè)量船垂直等深線方向行駛，即垂直河道方向。該方向沿原斷面方向行駛，原斷面位置通過生成.dxf文件，導(dǎo)入電腦，由導(dǎo)航軟件HydroNavi進(jìn)行航線控制，航線設(shè)置涵蓋該段原70條河道斷面。

1.2 不同的儀器設(shè)備進(jìn)行對(duì)比

采用多波束與單波束HD-360進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，該段河道245條斷面均采用MS400多波束和HD-360單波束同步方式進(jìn)行測(cè)量。

2 應(yīng)用結(jié)果分析

2.1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

MS400多波束數(shù)據(jù)后處理采用海測(cè)大師軟件，多波束的數(shù)據(jù)處理就是刪除噪點(diǎn)的過程，采用自動(dòng)濾波與人工處理相結(jié)合方法進(jìn)行，剔除少量的異常數(shù)據(jù)，通過各種數(shù)據(jù)處理后，能夠得到形式多樣的數(shù)據(jù)形式——水下點(diǎn)的三維坐標(biāo)、等深線圖、水下DTM模型、水深數(shù)據(jù)三維點(diǎn)云視圖，具體模型如圖1、圖2所示,能夠滿足不同用戶的設(shè)計(jì)需求。

圖1 局部水下DTM模型

圖2 局部水深數(shù)據(jù)三維點(diǎn)云視圖

2.2 MS400多波束測(cè)深儀不同航向重合點(diǎn)的比較

表1 多波束不同航向重合點(diǎn)高程比較

通過MS400多波束測(cè)深儀兩種測(cè)量方法得到水下點(diǎn)的三維坐標(biāo)，生成.dat文件，在南方CASS成圖軟件中展點(diǎn)得到圖形文件，在圖形文件中可直觀的看到重合點(diǎn)，我們隨機(jī)抽取部分不同航向且開角邊緣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出如下結(jié)論：①兩種測(cè)量方式所取得最終成果能夠吻合，均比較可靠，高程差值主要集中在0.1m左右。②多波束開角邊緣的極少部分高程點(diǎn)差值達(dá)到0.2m，其平均差值為0.08m。抽取部分重合點(diǎn)比較如表1所列。

2.3 MS400多波束測(cè)深儀與單波束HD-360測(cè)深儀數(shù)據(jù)的比較

在使用多波束進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集的過程中，把單波束測(cè)深儀固定在測(cè)量船的后部同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，按間距2m設(shè)置采點(diǎn)樣式。由于單波束測(cè)深儀采集的數(shù)據(jù)是逐點(diǎn)采集，而多波束數(shù)據(jù)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為了方便比較兩者之間的差異值，采用斷面圖的方式進(jìn)行比較，斷面圖比較如圖3所示，圖中生成的斷面圖橫向比例尺1∶4000， 縱向比例尺1∶200，從生成的斷面圖中能夠直觀地看出斷面圖的形狀能夠吻合，差值多數(shù)集中在0.2m～0.4m之間，并且有很強(qiáng)的規(guī)律性，即單波束比多波束測(cè)得水深較大，即高程數(shù)值小些，而且水深越深、坡度越大高程值相差越大，產(chǎn)生的原因與實(shí)際情況相符，經(jīng)分析認(rèn)為最主要還是單波束未進(jìn)行傾斜改正，尤其當(dāng)坡降、水深同時(shí)較大時(shí)，儀器安裝傾斜導(dǎo)致水下地面點(diǎn)和RTK水上采集點(diǎn)位置偏心較大，從而影響水下點(diǎn)的精度，設(shè)備安裝傾斜是單波束產(chǎn)生誤差的主要因素。

圖3 多波束、單波束水下部分?jǐn)嗝鎴D比較

《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》SL197-2013是水利水電工程測(cè)量中執(zhí)行的主要技術(shù)規(guī)范，規(guī)范規(guī)定地形圖圖幅等高線允許中誤差平地為±h/3，基本等高距取0.5m，水下地形可放寬2倍，中誤差達(dá)0.33m。 對(duì)于多波束測(cè)深儀完全能夠滿足規(guī)范要求，但對(duì)于單波束測(cè)深儀施測(cè)的水深，本項(xiàng)目隨機(jī)選取了近200點(diǎn)進(jìn)行中誤差計(jì)算，Mh=0.31m，同樣能夠滿足水下測(cè)量精度要求，因篇幅有限，省略了計(jì)算過程。對(duì)于單波束水下測(cè)量等深線中誤差接近臨界值，應(yīng)引起高度重視。

2.4 多波束測(cè)深系統(tǒng)誤差分析

(1) 多波束測(cè)距精度。測(cè)距精度對(duì)測(cè)深的精度產(chǎn)生直接影響，一般來說，頻率越高，測(cè)距精度越高，但測(cè)程相對(duì)就會(huì)縮短，反之亦然。項(xiàng)目實(shí)施時(shí)可根據(jù)水深來設(shè)置相應(yīng)的頻率，盡量提高測(cè)距精度，常規(guī)深度經(jīng)驗(yàn)值為2Hz。

(2) 傳播介質(zhì)的影響。為減弱或消除傳播介質(zhì)的影響，廠家都配有聲速剖面儀，對(duì)于深水區(qū)首先應(yīng)進(jìn)行聲速測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量的聲速剖面在后處理時(shí)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，從而達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。

(3) 運(yùn)動(dòng)傳感器及羅經(jīng)精度的影響。MS400多波束測(cè)深儀優(yōu)勢(shì)在于內(nèi)置高精度的姿態(tài)儀，通過多條航線計(jì)算出安裝校準(zhǔn)參數(shù)，從而減少繁瑣的校準(zhǔn)過程。在數(shù)據(jù)后處理時(shí)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，能夠削弱或消除橫偏、縱偏、艏偏等因素的影響。

(4) 延時(shí)誤差影響?！端姽こ虦y(cè)量規(guī)范》SL197-2013對(duì)大比例地形圖測(cè)深定位點(diǎn)中誤差設(shè)定為圖上1.5mm，對(duì)應(yīng)1∶1000～1∶2000地形圖，實(shí)地距離為1.5m～3.0m，RTK平均延時(shí)約0.5s，換算時(shí)速為3m/s～6m/s，實(shí)際作業(yè)中船速一般應(yīng)控制在3m/s以內(nèi)，當(dāng)變坡較大時(shí)應(yīng)適當(dāng)減速可減少延時(shí)帶來的誤差。

(5) 其他影響因素。多波束除了上述影響因素外，還有噪音、震動(dòng)、水位觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理軟件等，這些因素有偶然性，靠長期實(shí)踐，不斷積累經(jīng)驗(yàn)來加以削弱。

3 結(jié)束語

在淮河干流正峽段行洪區(qū)建設(shè)與調(diào)整工程中，用MS400多波束采用不同航向測(cè)深數(shù)據(jù)成果和不同儀器測(cè)深數(shù)據(jù)成果進(jìn)行對(duì)照，摸索出一套可行的方案，為單位后期相關(guān)項(xiàng)目提供有力支撐。同時(shí)多波束比單波束有顯著的優(yōu)越性，測(cè)量過程中多波束更容易控制，測(cè)量成果更加穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率明顯提高，產(chǎn)品形式多樣。同時(shí)隨著BIM設(shè)計(jì)技術(shù)的普及，計(jì)算土方量、水庫庫容等方面能夠充分利用水下、水上地表模型，比傳統(tǒng)的斷面計(jì)算法，精度將提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。