基于多波束系統(tǒng)的荊江門河段水下地形測繪

馬鄭海，林 蕩，李勝宣，羅文勝

(1.湖南理工學院 機械工程學院，湖南 岳陽 414000； 2.長江洞庭湖水利事務中心，湖南 岳陽 414000；3.岳陽永安工程技術有限公司，湖南 岳陽 414000； 4.岳陽市水利水電勘測設計院，湖南 岳陽 414000)

0 引 言

目前流經(jīng)湖南省的長江水域均在岳陽市境內，包括荊江河段、城螺河段和界牌河段，全長163 km。長江岳陽段年平均徑流量為2.04萬m3，最大年徑流量為7.88萬m3，該河段中的荊江門河段汛期最大水深達63 m，最大流速達4.27 m/s，且該河段彎道既多又急，平均約10 km一個彎道，彎曲半徑約為1 350 m，崩岸線比例高達62%。長江中下游13個重要險段，岳陽市占了兩個，即下荊江河段和城陵磯以下的岳陽河段，且兩河段均被列為重點守護段。近年來，政府加大了防洪大堤建設力度，特別是1998年長江特大洪水之后，長江護岸工程建設得到極大發(fā)展。

水下地形測量工作在長江崩岸治理過程中擔任著重要角色，是長江大堤修補與維護的前提和基礎[1]。傳統(tǒng)的測量手段主要采用全站儀、單波束測深儀等設備，借助人力以船舶為載體測量河水深度及河岸線地形。傳統(tǒng)方法普遍存在測量數(shù)據(jù)精度低、費用高、效率低、點位分布不均勻等缺點，難以準確獲取水下地形數(shù)據(jù)。而基于多波束系統(tǒng)的水下測量技術是一種新型水下測繪方法。該技術可有效實現(xiàn)水下數(shù)據(jù)采集與處理，為長江崩岸治理、江河湖泊地形測量和碼頭測量等工程提供技術支撐。本文介紹了基于多波束系統(tǒng)的測量技術在長江中游荊江門河段水下地形中的應用。

1 水下測量原理及方法

1.1 多波束測深原理

多波束測量技術是一種具有高效率、高精度和高分辨率的水下地形測量技術[2]。與傳統(tǒng)單波束測深技術相比較，多波束測深技術具有測量范圍大、速度快、精度高等優(yōu)點。它把測深技術從原先的點線狀擴展到面狀，并進一步發(fā)展到立體測圖，從而使水下地形測量技術發(fā)展到一個較高的水平[3]。多波束測量技術能夠對水下地形進行全覆蓋測量，具有同步測深點多、測量快捷、全覆蓋等特點，能完成常規(guī)方法無法完成的測量任務，尤其適用于大比例尺的測繪和特殊要求的水道地形測量等[4-5]。圖1為本次水下測量所用到海卓MS400P多波束測深系統(tǒng)設備。多波束測深技術主要利用安裝于船底或拖體上的聲基陣向與航向垂直的水底發(fā)射超寬聲波束，同時發(fā)射的波束對水底形成一個覆蓋式條帶，此條帶寬度由波束的發(fā)射開角決定，而波束發(fā)射角由發(fā)射模式控制參數(shù)來決定[6]。船姿傳感器感知的船姿信號和發(fā)射模式信號一同傳給信號處理器，信號處理器根據(jù)這些信息來計算出發(fā)射脈沖信號和脈沖數(shù)據(jù)，然后這些數(shù)據(jù)被傳送到多通道變換器，形成多個波束信號，并發(fā)射出去[7]。其測量條帶覆蓋范圍為水深的2～10倍，與現(xiàn)場采集的導航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結合，繪制出高精度、高分辨率的三維數(shù)字點云圖像。

圖1 多波束測深系統(tǒng)探頭

1.2 數(shù)據(jù)采集處理方法

水下地形測量主要依托多波束測深系統(tǒng)[8]。經(jīng)過硬件設備安裝與軟件調試工作后，通過采集不同時段的水深聲波數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理得到點云數(shù)據(jù)，進一步濾波降噪，最終可得到水下地形點云圖，具體技術路線如圖2所示。

圖2 測量技術路線

1.3 精度分析驗證方法

使用多波束測深系統(tǒng)獲得水下地形點云數(shù)據(jù)后，需要對該數(shù)據(jù)進行精度分析與驗證。本文采用統(tǒng)計學中的T檢驗方法，T檢驗主要用于樣本含量較小的對比試驗，用來比較兩個樣本平均數(shù)的差異是否顯著。在實驗中隨機挑選出20組點云數(shù)據(jù)，取Z坐標值與單波束測深儀所得數(shù)據(jù)作對比分析，比較來自兩個獨立總體的樣本平均數(shù)差異是否在規(guī)定范圍以內，由此判斷多波束數(shù)據(jù)的可靠性[9]。

2 工程應用

2.1 工程基本情況

長江岳陽段長約163 km，在本次測繪考察中選取荊江門河段作為測量對象，圖3為測區(qū)示意圖。荊江門河段是長江中游河床最深，水流流速最快，彎道最多、最急，崩岸線比例最大的地區(qū)[10]。此前并沒有太多準確、詳細的地理信息數(shù)據(jù)，亟需通過多波束測深系統(tǒng)測繪出精確的河道地形模型，為長江崩岸治理提供支撐。

圖3 測量區(qū)域

2.2 測量實施情況

本文中的水下測量主要在汛期前和汛期后兩個時期進行，采用海卓MS400P多波束測深系統(tǒng)對荊江門河段水下地形進行測量，具體裝備設置見圖4，多波束系統(tǒng)技術參數(shù)見表1，測量情況見表2。具體測量步驟如下。

(1) 在測量船船舷一側安裝固定支架，支架底段連接多波束探頭，多波束系統(tǒng)的連接線通過支架管道可連接定位天線與甲板單元，甲板單元與筆記本電腦連接。將所有設備連接好移動電源，通電開機。

(2) 硬件設備連接完成后，開機調試軟件，應用多波束測量軟件海測通，在調節(jié)大地測量參數(shù)及其他參數(shù)后即開始測量。

圖4 多波束測深系統(tǒng)組成

表1 MS400P多波束測深儀主要技術指標

表2 水下測量數(shù)據(jù)匯總

(3) 測量開始時先進行測區(qū)規(guī)劃，在本文中選取荊江門河段約1.5 km的測區(qū)范圍，隨后根據(jù)江水大致流速調節(jié)測量船船速，最大船速盡量控制在6節(jié)以內。

(4) 測量過程中需要進行校準測量。在航行一段距離獲取到部分地形數(shù)據(jù)后，根據(jù)地形進行航線數(shù)據(jù)校準，校準航線選擇地形起伏波動較大的地區(qū)，校準之后繼續(xù)完成剩下區(qū)域的測量，直至測區(qū)地形的全覆蓋。

2.3 點云數(shù)據(jù)濾波

測量完成后獲得航線記錄數(shù)據(jù)即聲納數(shù)據(jù)[11]，將其導入進數(shù)據(jù)處理軟件Hypack中轉換為地形點云數(shù)據(jù)。此時點云數(shù)據(jù)受設備及環(huán)境影響包含許多噪點，需要進行降噪濾波處理，使用軟件Hypack中的Hysweep模塊，經(jīng)過一級編輯、二級編輯后得到光滑的點云模型。圖5為降噪濾波后得到的不同角度的水下地形點云圖。

注：顏色代表深度，紅色代表深度最淺，藍色代表深度最深。

2.4 測量結果分析與驗證

為了驗證利用多波束測深系統(tǒng)進行水下測量所得數(shù)據(jù)的準確性，針對長江荊江門河段的水下地形數(shù)據(jù)進行定量分析。

傳統(tǒng)水下地形測量的方法多為單波束測深系統(tǒng)打點測深[12]，將多波束測深系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)與同時期單波束測深系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)(圖6)相對比，截取其中一段導入到Cloud Compare軟件中與多波束采集到的數(shù)據(jù)作對比，如圖7所示。

注：顏色代表深度，紅色代表深度最淺，藍色代表深度最深。

注：綠色點云區(qū)域顯示出兩時間段內該水底區(qū)域地形變化較小，藍色和紅色點云區(qū)域表示由于江水的沖刷使得水底地形變化較大。

圖7可以看出多波束設備所測得的水底地形點云數(shù)據(jù)相比于單波束測深測得的點云數(shù)據(jù)深度變化。根據(jù)兩者點云坐標取Z坐標軸上數(shù)值以及垂直深度變化數(shù)據(jù)并隨機篩選20組數(shù)據(jù)作定量分析，如表3所示。

表3 多波束測深與單波束測深數(shù)據(jù)選點對比

在深度變化數(shù)據(jù)中，平均數(shù)值約為1.05 m，中位數(shù)值約為0.68 m。因此，在長江荊江門河段水底地形測量中，多波束測深系統(tǒng)與單波束測深所測得的地形平均差值為1.05 m，大部分的水底地形深度變化值約為0.68 m左右。

為了驗證以上數(shù)據(jù)的可靠性，在多波束測深數(shù)據(jù)與打點測深數(shù)據(jù)中分別選取20個點，提取其中Z坐標值進行差異性分析，進而推斷整體數(shù)據(jù)的差異性。對表3數(shù)據(jù)進行T檢驗，T檢驗的目的是利用來自兩個總體的獨立樣本來推斷差異發(fā)生的概率，從而比較兩個總體均值的差異是否顯著。本實驗中兩組樣本相互獨立，從一個總體中抽取一組樣本對從另一總體中抽取的另一樣本沒有任何影響[13]。T檢驗的基本原理詳見文獻[14]。將兩組數(shù)據(jù)進行T檢驗后得到如表4所示結果。

表4 兩組獨立樣本T檢驗結果

由表4可得，由于t=0.928

另外，在軟件中分別計算多波束測深系統(tǒng)與單波束測深系統(tǒng)的點云密度，所得結果如圖8和圖9所示；表5為多波束與單波束系統(tǒng)在分別進行水下地形測量時的總體效益對比。

圖8 多波束測量所得點云密度分布

圖9 單波束測量所得點云密度分布

表5 多波束系統(tǒng)與單波束系統(tǒng)總體效益對比

3 結 語

近年來，基于多波束測深系統(tǒng)的測量方法在水下地形測量領域受到廣泛關注。該方法所用到的多波束測深平臺相對于傳統(tǒng)測量方法展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為測量時間更短，效率更高，所用設備集成度更高，使用更方便，更能保障測量人員的人身安全，以及所得點云數(shù)據(jù)密度更大、更精確。這些優(yōu)點也在長江荊江門河段的地形測量中得到充分體現(xiàn)。利用多波束測深系統(tǒng)對長江不同時期的水下地形進行測量，得到長江堤岸在不同時期的地形變化，可為長江堤防修補與維護提供參考。