多波束技術(shù)在智慧航道建設(shè)中的應(yīng)用

馮正茂 陳桃紅 李忠文

多波束技術(shù)在智慧航道建設(shè)中的應(yīng)用

馮正茂1陳桃紅2李忠文3

（1.廣西安全工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530100；2.廣西民族大學(xué)，廣西 南寧 530006；3.廣州南方測(cè)繪科技股份有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530022）

智慧航道是現(xiàn)代化航道建設(shè)的發(fā)展方向，為了解決航道大數(shù)據(jù)中河床數(shù)據(jù)采集困難的問題，文章主要從航道水下地形數(shù)據(jù)采集的角度，研究和分析多波束測(cè)深系統(tǒng)在智慧航道建設(shè)中的應(yīng)用，介紹了多波束系統(tǒng)的原理和性能，并論述了多波束系統(tǒng)在航道河床掃測(cè)中的應(yīng)用，其掃測(cè)提供的詳細(xì)水下地形數(shù)據(jù)，為三維電子航道圖、數(shù)字航道為基礎(chǔ)的智慧航道提供了豐富詳盡的數(shù)據(jù)資源。在智慧航道的建設(shè)中，多波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用。

智慧航道；河床數(shù)據(jù)采集；多波束；數(shù)據(jù)資源

引言

大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在不斷影響和改變著人們的工作和生活方式，引發(fā)了各行業(yè)的廣泛關(guān)注。國(guó)務(wù)院2015年9月發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展的行動(dòng)綱要》，綱要中提出要加快建設(shè)數(shù)據(jù)強(qiáng)國(guó)，充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，全面推進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使大數(shù)據(jù)技術(shù)成為推動(dòng)政府管理理念和社會(huì)治理模式進(jìn)步的重要手段[1]。在水上航運(yùn)交通領(lǐng)域，國(guó)家也提出了智慧航道建設(shè)的航道大數(shù)據(jù)研究和應(yīng)用發(fā)展方向?！吨悄芎竭\(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》（交海發(fā)〔2019〕66號(hào)）中明確提出：要加快推進(jìn)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等高新技術(shù)在港口、航道、船舶、航運(yùn)調(diào)度、航行保障、安全監(jiān)管以及交通運(yùn)行服務(wù)等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，顯著提升行業(yè)智能化水平，推動(dòng)航運(yùn)生產(chǎn)運(yùn)行管理轉(zhuǎn)型升級(jí)[2]。可見，打造以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)航道通、航行暢、服務(wù)優(yōu)、生態(tài)美的現(xiàn)代化智慧新航道，已經(jīng)成為服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略，實(shí)施數(shù)字交通、智能航運(yùn)的方向引領(lǐng)。

智慧航道建設(shè)，應(yīng)該在智能船舶“一個(gè)平臺(tái)＋N個(gè)智能應(yīng)用”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化，構(gòu)建“123N”體系：1中心＋2張圖＋3張網(wǎng)＋N個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。即“精細(xì)治理、聯(lián)通融合”的數(shù)據(jù)資源中心；標(biāo)準(zhǔn)化的二維電子航道圖、可視化的三維數(shù)字航道圖；“北斗賦能、共享應(yīng)用”的精準(zhǔn)時(shí)空網(wǎng)、“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、多維覆蓋”的物聯(lián)感知網(wǎng)、“全域覆蓋、天地一體”的無縫通信網(wǎng)；圍繞航道建設(shè)的規(guī)、建、管、養(yǎng)、應(yīng)急等業(yè)務(wù)管理域的多個(gè)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。目前航道大數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)采集困難、數(shù)據(jù)孤島（存儲(chǔ)管理不共享）、感知空洞（基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息不全）、認(rèn)知降維（二維數(shù)據(jù)）、智慧假象（數(shù)據(jù)利用率低）等問題。因數(shù)據(jù)采集困難，工作船舶動(dòng)態(tài)、天氣霧情信息、航標(biāo)狀態(tài)、水位信息、河床演變等航道要素?cái)?shù)據(jù)的采集仍然主要依靠人工手段采集匯總，缺乏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)采集能力，實(shí)時(shí)性、精確性無法保證，導(dǎo)致航道監(jiān)測(cè)能力較弱，無法滿足智慧航道建設(shè)的需求，制約了航道服務(wù)水平的提高、航道維護(hù)效率和海事應(yīng)急反應(yīng)速度。數(shù)據(jù)采集和利用困難、動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測(cè)能力不足，是未來航道信息化、智慧化建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3]。

本文主要針對(duì)智慧航道建設(shè)中存在的航道河床數(shù)據(jù)采集困難的問題，從航道水下地形數(shù)據(jù)采集的角度，研究和分析多波束測(cè)深系統(tǒng)在智慧航道建設(shè)中的應(yīng)用。

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理

單波束測(cè)深系統(tǒng)由換能器、北斗導(dǎo)航設(shè)備、顯示器、電源等部分組成。換能器安裝在測(cè)量船底淹沒在水中，由發(fā)射換能器A，垂直向水下發(fā)射聲波脈沖，聲波傳播到水底，部分聲波經(jīng)水底反射或散射返回，被接收換能器B所接收。設(shè)過程經(jīng)歷時(shí)間為T，聲波在水中傳播速度為C，換能器的吃

圖1 單波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)（multi-beam echo-sounding system）由多個(gè)傳感器組合而成，是水聲技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字化傳感器等多種技術(shù)的高度集成，可同時(shí)獲得艦船航跡方向的垂直面內(nèi)多個(gè)深度值的聲吶設(shè)備（如圖2所示）。利用多種類型的傳感器對(duì)水下探測(cè)目標(biāo)的屬性、位置、大小等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并利用數(shù)據(jù)融合算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的精確測(cè)繪、屬性和大小的分析判斷[4]。傳統(tǒng)的單波束測(cè)深系統(tǒng)每次測(cè)量只能獲得測(cè)量船垂直下方一個(gè)水底深度值，與之相比，多波束探測(cè)能獲得一個(gè)條形帶覆蓋區(qū)域內(nèi)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的水底深度值，實(shí)現(xiàn)了從“點(diǎn)—線”測(cè)量到“線—面”測(cè)量的跨越，采集數(shù)據(jù)量大、精度高、內(nèi)容信息豐富，對(duì)智慧航道建設(shè)、內(nèi)河航道和港口航道的各類工程建設(shè)而言，其技術(shù)進(jìn)步的意義十分突出。

多波束測(cè)深系統(tǒng)能完成大范圍覆蓋水深測(cè)量、航行障礙物探測(cè)，在航道河床、水底地形測(cè)繪的效率、精度、分辨率與水下地形成圖質(zhì)量上有了大幅度提高，整個(gè)系統(tǒng)從外業(yè)到內(nèi)業(yè)全過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化，徹底改變了傳統(tǒng)的水下測(cè)量、航道測(cè)繪的方式。在智慧航道建設(shè)中的電子航道圖平臺(tái)建設(shè)、港口碼頭監(jiān)測(cè)、航道養(yǎng)護(hù)、航道工程，以及海洋研究、水底管線調(diào)查和水運(yùn)工程等領(lǐng)域中有著越來越廣泛的應(yīng)用。

圖2 多波束測(cè)深系統(tǒng)工作示意圖

2 多波束測(cè)深系統(tǒng)在航道河床掃測(cè)中的應(yīng)用

在內(nèi)河航道和港口航道工程的規(guī)劃、勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量監(jiān)理、安全監(jiān)督、保養(yǎng)維護(hù)、技術(shù)開發(fā)、技術(shù)管理和科學(xué)研究等工作中，多波束測(cè)深系統(tǒng)可以在以下方面為工程建設(shè)提供豐富的水下地形大數(shù)據(jù)資源。

2.1 水下各類障礙物的掃測(cè)與統(tǒng)計(jì)

多波束測(cè)深系統(tǒng)能夠?qū)降篮哟驳牡匦芜M(jìn)行大范圍覆蓋掃測(cè)，水底同步測(cè)深點(diǎn)多，測(cè)量方便快捷，且能實(shí)時(shí)顯示水下地形的聲像圖，在聲吶測(cè)深量程范圍內(nèi)性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、精度高，在水下障礙物掃測(cè)，航道疏浚、加深、拓寬、清淤、水下炸礁工程等河道和水運(yùn)工程領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[5]。根據(jù)全航道的掃測(cè)平面圖，可以根據(jù)水下障礙物的特征，對(duì)障礙物進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)和大小尺寸測(cè)量（如表1、圖3所示）。

表1 水下各類障礙物統(tǒng)計(jì)表

圖3 水下各類障礙物分布圖

2.2 水底地形地物局部點(diǎn)云圖

為了對(duì)特定的物體進(jìn)行更詳細(xì)的計(jì)算和分析，水下的各種物體除了根據(jù)特征特性進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì)外，還可以利用多波束采集的點(diǎn)云，進(jìn)行局部點(diǎn)云圖對(duì)比側(cè)掃和背向散射等數(shù)據(jù)進(jìn)行局部的詳細(xì)分析（如圖4所示）。

圖4 水底地物點(diǎn)云局部圖

2.3 水底采集側(cè)掃聲學(xué)數(shù)據(jù)

多波束測(cè)深系統(tǒng)可同時(shí)具有側(cè)掃聲吶的功能，在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)，采集側(cè)掃聲學(xué)影像數(shù)據(jù)。側(cè)掃聲學(xué)影像數(shù)據(jù)有助于辨識(shí)水下物體的大小與類型（圖5為多波束側(cè)掃聲學(xué)影像）。

圖5 多波束側(cè)掃聲學(xué)影像

2.4 河床的背向反射數(shù)據(jù)圖

水底物體表面的粗糙度和硬度不同，對(duì)聲波產(chǎn)生的散射有較大差別。散射的一部分能量通過回波傳回到聲源發(fā)射處，稱為背向反射。多波束測(cè)深系統(tǒng)可以采集背向反射數(shù)據(jù)，通過標(biāo)準(zhǔn)背向反射數(shù)據(jù)，可進(jìn)行河床底質(zhì)分析和分類，輔助判斷障礙物類型（圖6為背向散射數(shù)據(jù)）。

2.5 水下地形地物的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)

多波束測(cè)深系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集包括點(diǎn)云、側(cè)掃、背反等基本數(shù)據(jù)。在高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，不同顏色的點(diǎn)云代表不同的水深層次，直觀地展現(xiàn)河床的平面圖和形狀。融合各種數(shù)據(jù)，水下的物體所在位置及局部輪廓的數(shù)據(jù)還可以進(jìn)一步加密，可以使局部細(xì)節(jié)得以詳細(xì)完整地展示。融合的數(shù)據(jù)還可以三維立體展示，從各個(gè)視角的視圖，詳盡地展現(xiàn)水下河床三維立體數(shù)據(jù)的效果。

2.6 繪制航道地形圖

在高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行抽稀，生成航道水底的地形點(diǎn)。利用地形點(diǎn)三維坐標(biāo)（包括平面坐標(biāo)和水深值）數(shù)據(jù)，可以根據(jù)需要，用水下成圖軟件繪制各種比例的水下地形圖，進(jìn)一步編輯形成航道電子地圖，既可以作為航道數(shù)字成果發(fā)布，也可以作為數(shù)字航道和智慧航道建設(shè)的基礎(chǔ)。

圖8 航道地形圖及局部放大效果

2.7 航道和水運(yùn)工程方面的應(yīng)用

2.7.1 各類斷面圖的繪制

在航道建設(shè)的開發(fā)、利用、保護(hù)或恢復(fù)資源中，要進(jìn)行各種航道或水運(yùn)工程，利用水下地形圖的成果，可以根據(jù)航道或水運(yùn)工程的需要，繪制各類航道斷面圖（如圖9所示）。使用成圖軟件，在航道地形圖基礎(chǔ)上，橫、縱斷面圖任意比例可以自動(dòng)調(diào)繪，也可以繪制成多種方式。

圖9 航道各類斷面圖

2.7.2 多種方式土方計(jì)算數(shù)據(jù)

在航道工程建設(shè)中，經(jīng)常需要做土方工程量的計(jì)算。根據(jù)航道地形圖和斷面圖，可以選擇多種土方計(jì)算方式。如方格網(wǎng)法、等深線法、DTM法、斷面法，根據(jù)不同地質(zhì)可進(jìn)行分層土方計(jì)算，可以根據(jù)工程的進(jìn)度進(jìn)行兩期土方計(jì)算法，根據(jù)工程設(shè)計(jì)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)土方計(jì)算等（如圖10所示）。

圖10 土方量計(jì)算

3 基于多波束測(cè)深系統(tǒng)的智慧航道建設(shè)應(yīng)用

航道大數(shù)據(jù)以三維電子航道圖、數(shù)字航道為基礎(chǔ)，加以收集分析各類船舶航行軌跡、行為、航速、流量、靠泊特征，準(zhǔn)確測(cè)繪航道河床變化信息，航道岸邊三維地形信息，記錄航道水位狀況等，研究航道演變情況及趨勢(shì)、船舶活躍量、船舶流量預(yù)測(cè)等信息，為確定航道邊界、設(shè)置航標(biāo)、航線的規(guī)劃、航道運(yùn)行管理提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。多波束測(cè)深系統(tǒng)在航道河床掃測(cè)工作中提供了詳細(xì)的水底地形數(shù)據(jù)，為三維電子航道圖、數(shù)字航道為基礎(chǔ)的智慧航道提供了豐富詳盡的數(shù)據(jù)資源。

智慧航道的日常航道管理和養(yǎng)護(hù)也離不開多波束測(cè)深系統(tǒng)的輔助支持。比如每季度都要對(duì)80 km左右的航道進(jìn)行河床掃測(cè)，以便對(duì)航道的水下整體狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握和數(shù)據(jù)更新；在采砂區(qū)管理、水下垃圾清除和水底障礙物清理工作中，多波束也可以起到很好的輔助作用，清障船搭載多波束對(duì)水下疑似障礙物進(jìn)行掃測(cè)，確定其具體位置和形狀大小等，以便決定采取何種清障的手段和工具。在航道的水下高樁檢測(cè)和水底線纜探測(cè)，港口碼頭和閘室崖壁檢測(cè)；水電站排水口檢測(cè)，多波束都可以發(fā)揮不可或缺的作用[6]。

多波束掃測(cè)系統(tǒng)也可以在航道應(yīng)急救援方面發(fā)揮很好的作用[7]。比如某地有一座橋發(fā)生坍塌，可以使用多波束采集的事故水域的水下地形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，對(duì)橋坍塌后的水下情況有準(zhǔn)確的了解，以便更好地進(jìn)行水下障礙物的清除，從而更有效避免來往船只與水下殘存橋體發(fā)生碰撞。

相較于傳統(tǒng)航道軟式掃床的方式，多波束測(cè)深系統(tǒng)有明顯的突出優(yōu)勢(shì)。首先，多波束掃測(cè)的數(shù)據(jù)更真實(shí)、連貫、直觀，且能形成完整的數(shù)據(jù)集，可用于不同時(shí)間段的對(duì)比和分析，從而形成連貫的河道演變過程；其次，在輔助掃床清障方面，軟式掃床精準(zhǔn)度較低，對(duì)淤泥量的計(jì)算不精確，而多波束系統(tǒng)的掃測(cè)能獲取較為全面且準(zhǔn)確的水下地形地貌數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)軟式掃床的不足，更好地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)算水下淤泥量。

4 結(jié)束語(yǔ)

多波束測(cè)深系統(tǒng)以全覆蓋、高效率、高精度、高分辨率的水底測(cè)量方式，提供了豐富多樣的數(shù)據(jù)成果，給水下地形測(cè)繪理論與方法帶來了革新，在航道水下測(cè)量和淺海測(cè)繪領(lǐng)域擁有其他設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢(shì)。未來隨著高性能計(jì)算機(jī)、高分辨率顯示系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)傳感器以及數(shù)字化采集技術(shù)，相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)處理技術(shù)的廣泛推廣和應(yīng)用，多波束測(cè)深系統(tǒng)技術(shù)還將會(huì)不斷取得突破性進(jìn)展，其在水運(yùn)工程、智慧航道甚至智慧海洋的建設(shè)中，將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。

[1] 中國(guó)政府網(wǎng). 國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要的通知[EB/OL]. http://www.gov.cn/ zhengce/content/ 2015-09/05/content_10137.htm，2015-09-05.

[2] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部. 交通運(yùn)輸部中央網(wǎng)信辦國(guó)家發(fā)展改革委教育部科技部工業(yè)和信息化部財(cái)政部關(guān)于印發(fā)《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》的通知[EB/OL]. https://xxgk.mot.gov.cn/jigou/haishi/201911/t20191119_3298977.html，2019-11-19.

[3] 魯?shù)?，李柏丹，章稷修，? 基于云網(wǎng)交互的內(nèi)河航道大數(shù)據(jù)應(yīng)用體系構(gòu)建[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2020(6): 59-61.

[4] 楊麗，王玉振. 基于多傳感器的水上水下測(cè)繪數(shù)據(jù)融合算法[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2021，43(2): 46-48.

[5] 張孝盛，蔡艷軍，王凱，等. 多波束測(cè)深系統(tǒng)在水下障礙物掃測(cè)中的應(yīng)用[J]. 四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，24(5): 159-161.

[6] 章家保，程李凱，朱瑞虎，等. 多波束測(cè)深系統(tǒng)在水下檢測(cè)碼頭接縫中的應(yīng)用[J]. 水運(yùn)工程，2019(7): 99-104.

[7] 傅仁琦，沈正一，高博. 國(guó)產(chǎn)多波束系統(tǒng)在海上失事船只探測(cè)中的應(yīng)用[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2015，37(8): 153-156.

Application of Multi-Beam Technology in Intelligent Channel Construction

Intelligent waterway is the development direction of modern waterway construction. In order to solve the difficult problem of riverbed data collection in channel big data, this paper mainly studies and analyzes the application of multi-beam sounding system in the construction of intelligent waterway from the angle of underwater topography data acquisition. This paper introduces the principle and performance of the multi-beam system, and discusses the application of the multi-beam system in channel riverbed scanning survey. The detailed underwater terrain data provided by the multi-beam system provides rich and detailed data resources for the intelligent channel based on three-dimensional electronic channel map and digital channel. Multi-beam sounding system plays an important role in the construction of intelligent channel.

intelligent channel; riverbed data collection; multi-beam; data resources

U61

A

1008-1151(2022)04-0001-06

2022-01-26

2021年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“面向應(yīng)急管理的測(cè)繪地理信息技術(shù)研究”（2021KY1526）。

馮正茂（1976－），男，廣西浦北人，廣西安全工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，土地登記代理人，研究方向?yàn)闇y(cè)繪及遙感技術(shù)應(yīng)用，應(yīng)急測(cè)繪管理。

陳桃紅（1977－），女，廣西南寧人，廣西民族大學(xué)副教授，博士，從事管理科學(xué)與工程理論研究。