多波束測(cè)深系統(tǒng)與單波束測(cè)深儀在長(zhǎng)江河道測(cè)量應(yīng)用中的比較與分析

楊柳 王超 吳忠明

摘要：為探討多波束測(cè)深系統(tǒng)在長(zhǎng)江河道測(cè)量中的適用性，在闡述多波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理及工作過(guò)程的基礎(chǔ)上，從測(cè)量方式、數(shù)據(jù)處理模式及成果形式等方面比較了傳統(tǒng)單波束測(cè)深儀與多波束測(cè)深系統(tǒng)的差異。并通過(guò)采用兩種測(cè)量方式同步施測(cè)，獲取同一區(qū)域水下數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：多波束數(shù)據(jù)精細(xì)度優(yōu)于單波束，成果形式更多樣化，但便捷性上略遜于單波束測(cè)深儀。

關(guān)鍵詞：河道測(cè)量;多波束測(cè)深系統(tǒng);單波束測(cè)深儀;沖淤計(jì)算

中圖法分類號(hào)：TV221.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.006

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）05 - 0023 - 03

1 研究背景

隨著時(shí)代的發(fā)展，多波束測(cè)深系統(tǒng)憑借其高效率、高精度、高分辨、全覆蓋的特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于海洋測(cè)繪。同時(shí)，在三峽工程建成后，常態(tài)化險(xiǎn)段預(yù)警監(jiān)測(cè)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)、河床沖淤分析對(duì)水下測(cè)量數(shù)據(jù)的精度及時(shí)效性要求越來(lái)越高。在長(zhǎng)江河道測(cè)量中，通常采用傳統(tǒng)的單波束測(cè)深儀。為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，計(jì)劃將多波束測(cè)深系統(tǒng)引入長(zhǎng)江河道測(cè)量中。本文在闡述多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理及工作過(guò)程的基礎(chǔ)上，從測(cè)量方式、數(shù)據(jù)處理模式及成果形式等方面全面比較了傳統(tǒng)單波束測(cè)深儀與多波束測(cè)深系統(tǒng)的差異。

2 工作原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一套用于水下地形數(shù)據(jù)獲取的多傳感器組合而成的設(shè)備，其利用安裝在水下的換能器發(fā)射扇形波束，并接收水底反射回波信號(hào)，根據(jù)記錄聲波在水下的傳播時(shí)間來(lái)量測(cè)水深（圖1）。

多波束條帶測(cè)深系統(tǒng)采用發(fā)射、接收基陣互相垂直的方式。發(fā)射基陣平行于船屜首尾連線安裝，而接收基陣垂直于船體首尾連線安裝。發(fā)射信號(hào)和接受信號(hào)分別在某一方向上形成較小的波束角，而在垂直的另一方向上形成較寬的方向角，其形成的組合區(qū)域即是測(cè)量區(qū)域，目的是使船體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響降到最低。

多波束測(cè)深系統(tǒng)具體測(cè)量過(guò)程為[1]：換能器陣發(fā)射形成的扇形聲波波束，照射測(cè)量船正下方的一條狹窄水域，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器;聲波在水中傳播，接觸到該水域底部時(shí)發(fā)生反射，因各反射點(diǎn)的空間位置不同，回波返回的時(shí)間也不相同;到達(dá)換能器的回波中包含了水下地形起伏等信息，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行固定方向的多波束形成、幅度檢測(cè)、能量累積等處理，當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)角度的回波信號(hào)時(shí)，記錄其計(jì)數(shù)值，直至所有待測(cè)角度的回波都到達(dá)完畢，即完成了一次測(cè)量。此時(shí)根據(jù)對(duì)應(yīng)角度的計(jì)數(shù)值和測(cè)量時(shí)的聲速值，可以反算每個(gè)反射點(diǎn)距離換能器的深度，再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的三角變換，即可同時(shí)測(cè)出多點(diǎn)的深度信息。測(cè)量船沿著航道方向運(yùn)動(dòng)并連續(xù)測(cè)量，便可完成對(duì)船兩側(cè)條帶水域水下地形的測(cè)量。

3 差異性分析

多波束測(cè)深系統(tǒng)與傳統(tǒng)單波束測(cè)深儀的差異，主要體現(xiàn)在測(cè)量方式、數(shù)據(jù)處理方式以及成果輸出形式等方面。

3.1 測(cè)量方式

在傳統(tǒng)的水道地形測(cè)量中，一般采用單波束測(cè)深系統(tǒng)。測(cè)深前需要垂直水流方向預(yù)置計(jì)劃線，成圖比例尺決定了計(jì)劃線的間隔以及計(jì)劃線上的測(cè)點(diǎn)間距[1]。在地形起伏變化較大處，一般需加密計(jì)劃線或采用其他的布線方式，受人為因素影響較大，對(duì)測(cè)量人員經(jīng)驗(yàn)要求較高?？傮w來(lái)說(shuō)，針對(duì)水下測(cè)量地形精度要求較高且地形變化較大的區(qū)域，單波束測(cè)深系統(tǒng)難免會(huì)漏測(cè)特征點(diǎn)，無(wú)法精準(zhǔn)反映真實(shí)地形[2]。在成圖后，一般還需憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)疑似漏測(cè)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，無(wú)形之中增加了大量的工作及不確定因素。

采用多波束測(cè)深系統(tǒng)時(shí)，一般沿水流方向布設(shè)測(cè)線，相鄰測(cè)線間有一定的重疊區(qū)域，從而保證了對(duì)水下地形的全覆蓋測(cè)量。通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，可在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取各種比例尺與各種密度的數(shù)據(jù)，一次測(cè)量可以形成多種比例尺的成果，大大地提高了測(cè)量效率，節(jié)省了測(cè)量時(shí)間。

3.2 數(shù)據(jù)處理方式

單波束測(cè)深系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式存在較大差異。由于單波束測(cè)深數(shù)據(jù)之間缺少系統(tǒng)誤差關(guān)聯(lián)，一般需人工判讀，很大程度上依賴數(shù)據(jù)處理人員的經(jīng)驗(yàn)。若內(nèi)業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)不足或?qū)y(cè)量區(qū)域不熟悉，尤其是在地形復(fù)雜區(qū)域，很容易出現(xiàn)漏判或誤判的情況。而由于多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)深數(shù)據(jù)量大，容易找到數(shù)據(jù)間系統(tǒng)誤差與實(shí)際地形之間的系統(tǒng)相關(guān)性，因此多波束測(cè)深數(shù)據(jù)的后處理一般采用自動(dòng)濾波的方式，較大程度上降低了判讀的主觀性。

3.3 成果輸出形式

由于單波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量成果為單點(diǎn)數(shù)據(jù)，一般只能作為單一比例尺DLG的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，成果形式較為單一。多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量成果為點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成的地形曲面，可作為各個(gè)比例尺DLG的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);此外，其點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可通過(guò)后處理，生成DEM，并進(jìn)行分層設(shè)色形成三維立體地形，成果形式豐富。

4 實(shí)例分析

在長(zhǎng)江武漢河段及漢江武漢河段分別選取一個(gè)區(qū)域進(jìn)行多波束、單波束測(cè)深系統(tǒng)的同步測(cè)深。單波束采用HY1601配合GNSS同步測(cè)深，多波束采用sonic 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行施測(cè)。

4.1 點(diǎn)位精度分析

在單波束測(cè)深系統(tǒng)同一斷面線上，以單波束測(cè)點(diǎn)周邊0.5 m為半徑提取多波束數(shù)據(jù)作為該單波束數(shù)據(jù)的共點(diǎn)，進(jìn)行單波束與多波束所測(cè)數(shù)據(jù)的高程對(duì)比。其中，區(qū)域1共點(diǎn)數(shù)為327點(diǎn)，單波束與多波束高程互差（互差為單波束所測(cè)高程減去多波束所測(cè)高程，下同）最大、最小絕對(duì)值分別為0.200，0.001 m，互差中誤差M=±0.119 m;區(qū)域2共點(diǎn)數(shù)為70點(diǎn)，單波束與多波束互差最大、最小絕對(duì)值分別為0.001，0.200 m，互差中誤差M=±0.118 m，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1與圖2所示。

圖2中大部分互差無(wú)系統(tǒng)性規(guī)律，說(shuō)明兩者之間無(wú)系統(tǒng)誤差。從表1中可見(jiàn)，同點(diǎn)位高程互差均小于[±0.2m]，且中誤差均優(yōu)于相關(guān)規(guī)范。

4.2 斷面精度分析

選取位于長(zhǎng)江實(shí)驗(yàn)區(qū)域的4個(gè)典型斷面，將單波束、多波束施測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（圖3）。

從圖3中可見(jiàn)，兩組數(shù)據(jù)在斷面形態(tài)上基本一致，但在地形變化較大處，多波束對(duì)地形細(xì)節(jié)的獲取較為準(zhǔn)確、精細(xì)程度較高。

4.3 沖淤計(jì)算精度分析

為探討多波束與單波束測(cè)深數(shù)據(jù)對(duì)沖淤計(jì)算精度影響，選取了長(zhǎng)江河段長(zhǎng)約1.4 km，寬約1.0 km實(shí)驗(yàn)區(qū)域。對(duì)多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)按2 m間距進(jìn)行提取，單波束采用生成地形圖后實(shí)測(cè)點(diǎn)及等高線數(shù)據(jù)，分別采用ARCGIS 3D分析模塊生成DEM，并采用不同等深線模擬不同水位級(jí)，計(jì)算兩套數(shù)據(jù)同一水位級(jí)下的容積，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。計(jì)算結(jié)果表明：同一水深下，兩套數(shù)據(jù)差值較小，均能滿足沖淤計(jì)算要求。但為延續(xù)計(jì)算數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，在計(jì)算不同年份之間沖淤量時(shí)，還應(yīng)采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集方式。

注：容積差值由單波束數(shù)據(jù)減去多波束數(shù)據(jù)得到。

4.4 數(shù)據(jù)采集處理時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

對(duì)單波束測(cè)深及多波束測(cè)深系統(tǒng)在本次試驗(yàn)各環(huán)節(jié)所用時(shí)間分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表3）。

注：時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)不含多波束安裝時(shí)間。

由表3可知：?jiǎn)尾ㄊ鴾y(cè)深系統(tǒng)在測(cè)前準(zhǔn)備、后處理等各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間均少于多波束測(cè)深系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集時(shí)間上多波束測(cè)深系統(tǒng)更快。根據(jù)多波束掃測(cè)原理，在大水深掃測(cè)時(shí)，此優(yōu)勢(shì)更加明顯，但在面積小、水深不大的區(qū)域，單波束便捷性更高。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在比較單波束與多波束測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用兩種方式同步施測(cè)獲取同一區(qū)域水下地形數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、時(shí)效性、成果形式等多方面對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)與單波束測(cè)深儀進(jìn)行系統(tǒng)比較。結(jié)果表明：?jiǎn)尾ㄊ到y(tǒng)在數(shù)據(jù)獲取的便捷性與時(shí)效性上略優(yōu)于多波束，多波束測(cè)深系統(tǒng)在地形數(shù)據(jù)獲取的精細(xì)程度上略優(yōu)于單波束。但因本次試驗(yàn)區(qū)域略小，未涉及橋墩區(qū)，多波束大范圍大水深全地形掃描優(yōu)勢(shì)未完全體現(xiàn)，后續(xù)需進(jìn)一步開(kāi)展研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬延霞.多波束條帶測(cè)深系統(tǒng)測(cè)深精度評(píng)估方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[2] 多張旭， 李光林， 汪正. 多波束與單波束測(cè)深系統(tǒng)在長(zhǎng)江航道測(cè)量中的應(yīng)用比較[J]. 中國(guó)水運(yùn)航道科技，2016（2）：66-69.

（編輯：江 文）

Abstract： In order to discuss applicability of multi-beam sounding system in hydrographic survey of the Yangtze River， on the basis of introducing principle and process of multi-beam sounding system， this paper compared differences between traditional single beam bathymetry and multi-beam system from aspects of measuring mode， data processing mode and result form. Underwater data in the same area were obtained through simultaneous measurement of the two methods.The results showed that data of multi-beam sounding system was better than that of single beam bathymetry， and result forms of multi-beam sounding system were more diversified. However， single beam bathymetry is more convenient.

Key words： river channel hydrographic survey;multi-beam sounding system： traditional echo sounder： erosion and deposition calculation