基于多元協(xié)同測(cè)深技術(shù)的復(fù)雜水域水下地形測(cè)量

吳昊 張曉萌

摘要：

為提高復(fù)雜水域水下地形地貌測(cè)量精度，提出基于多元協(xié)同測(cè)深技術(shù)的復(fù)雜水域水下地形測(cè)量方法。該方法首先利用多波束大面積普查獲得高精度點(diǎn)云，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行高程賦色并發(fā)現(xiàn)異常區(qū)，然后利用側(cè)掃聲吶對(duì)異常區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)排查并構(gòu)建二維影像，最后結(jié)合多波束點(diǎn)云，構(gòu)建水下構(gòu)筑物的精細(xì)化紋理模型。以武漢市天興洲大橋下游試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槔迷摲椒ㄕ归_(kāi)了實(shí)例分析。結(jié)果表明：協(xié)同運(yùn)用多波束精密測(cè)深與側(cè)掃聲吶高清攝像的方法可清晰觀察水下構(gòu)筑物的形態(tài)特征，獲取水下地形的豐富信息。

關(guān)鍵詞：

水下地形測(cè)量； 單波束測(cè)深系統(tǒng)； 多波束測(cè)深系統(tǒng)； 側(cè)掃聲吶； 復(fù)雜水域

中圖法分類號(hào)：TV221.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.006

文章編號(hào)：1006-0081（2023）04-0034-05

0 引 言

水下地形測(cè)量作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性海洋測(cè)繪工作，其核心技術(shù)是水深測(cè)量［1-2］。由換能器陣列組成的多波束測(cè)深技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，隨后基于多波束測(cè)深系統(tǒng)的水深測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展［3-4］。作為一種高分辨率、高精度、高效率的水下地形測(cè)量新技術(shù)，多波束測(cè)深系統(tǒng)精度高、速度快、覆蓋范圍大、成圖自動(dòng)化、記錄數(shù)字化，已在河道測(cè)繪中得到了廣泛運(yùn)用［5-7］。雖然多波束測(cè)深技術(shù)可獲取精確的水深數(shù)據(jù)及平面坐標(biāo)，但生成的三維模型無(wú)法滿足地物輪廓的精細(xì)描繪，而側(cè)掃聲吶技術(shù)可獲取高清二維影像，但缺少平面位置信息及水深數(shù)據(jù)，因此本文綜合應(yīng)用這兩種方法進(jìn)行河道地形測(cè)繪，能有效地實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，獲取更加詳細(xì)、準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)及特殊地物圖像。

1 研究方法

多波束測(cè)深原理如圖1所示。多波束測(cè)深系統(tǒng)沿航跡方向和垂直航跡方向以一定的頻率發(fā)射波束，形成扇形聲波束傳播區(qū)，單個(gè)發(fā)射波束與接收波束的交叉區(qū)域稱為腳印。根據(jù)各角度聲波到達(dá)的時(shí)間或相位可分別計(jì)算波束腳印的坐標(biāo)和深度，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［8-9］。

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)由工作站、絞車、拖曳電纜、拖魚(yú)、GPS接收機(jī)等組成。側(cè)掃聲吶利用聲波反射獲取回聲信號(hào)圖像，根據(jù)回聲信號(hào)圖像分析水底地貌和障礙物，識(shí)別水底沉積物類型等。圖2為側(cè)掃聲吶的工作原理示意圖。

2 復(fù)雜水域水下地形測(cè)量技術(shù)流程

多波束和側(cè)掃聲吶均可有效獲取水底地形與地貌圖像。多波束可以全面了解探測(cè)區(qū)水底地形的起伏情況，但無(wú)法直觀的判讀水底情況，側(cè)掃聲吶可以獲取高分辨率水底影像但位置精度較低。因此通過(guò)聯(lián)合采用多波束系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，協(xié)同運(yùn)用“面積性普查、局部性詳查”的檢測(cè)思路，具體思路如下：首先利用多波束大面積普查獲得高精度點(diǎn)云，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行高程賦色并發(fā)現(xiàn)異常區(qū)，然后利用側(cè)掃聲吶對(duì)異常區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)排查并構(gòu)建二維影像，最后結(jié)合多波束點(diǎn)云，構(gòu)建水下構(gòu)筑物的精細(xì)化紋理模型。技術(shù)流程如圖3所示。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于武漢市天興洲大橋下游?？偯娣e約為0.05 km2，長(zhǎng)度約為262 m，寬度約為201 m。為1∶500測(cè)圖比例尺的水道地形測(cè)量，需提交水道地形圖及水工構(gòu)筑物三維模型。試驗(yàn)區(qū)有一固定水工構(gòu)筑物，常年處于水下，水流環(huán)境復(fù)雜，該建筑物經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，出現(xiàn)不同程度的淤積、材質(zhì)劣化、功能降低等現(xiàn)象。若此類水工建筑物出現(xiàn)問(wèn)題具有發(fā)現(xiàn)難、處理難、突發(fā)性強(qiáng)、后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，對(duì)其檢測(cè)具有較大難度。通常情況下，測(cè)量河道中只有泥沙，但該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)還存在水工建筑物，增加了難度及危險(xiǎn)性，因此，該區(qū)域可以被認(rèn)為是復(fù)雜水域。

本文提出的多元協(xié)同測(cè)深技術(shù)中，測(cè)深系統(tǒng)起到了關(guān)鍵作用。由于多波束與單波束測(cè)深系統(tǒng)均能提供水下點(diǎn)的三維坐標(biāo)，因此本文對(duì)比了使用單波束和多波束測(cè)深系統(tǒng)獲得的點(diǎn)位精度、斷面精度，著重比較了在不同測(cè)深系統(tǒng)下重合點(diǎn)的互差、中誤差，重合斷面的面積差。同時(shí)，對(duì)地形圖進(jìn)行了定性分析，著重比較了重合區(qū)域等高線的精細(xì)度。該項(xiàng)目共用單波束測(cè)深系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)共施測(cè)兩次。采用單波束測(cè)深系統(tǒng)，本項(xiàng)目測(cè)圖比例尺為1∶500，采用預(yù)制橫斷面法布設(shè)計(jì)劃線，共垂直于河道布設(shè)13條計(jì)劃線，線間距10 m，測(cè)點(diǎn)間距5 m。采用多波束測(cè)深系統(tǒng)時(shí)，沿河道方向布設(shè)2條計(jì)劃線，相鄰測(cè)線間有一定的重疊區(qū)域，旁向重疊率為20%，從而保證了對(duì)水下地形的全覆蓋測(cè)量。

3.2 點(diǎn)位精度分析

參照單波束測(cè)深斷面線，以單波束測(cè)點(diǎn)為圓心，0.5 m為半徑，提取多波束測(cè)點(diǎn)，作為單波束測(cè)點(diǎn)的共點(diǎn)，從而對(duì)比單波束與多波束測(cè)點(diǎn)高程。其中，試驗(yàn)區(qū)域共點(diǎn)總數(shù)為2 280，單波束與多波束測(cè)點(diǎn)高程互差（單波束測(cè)點(diǎn)高程減去多波束測(cè)點(diǎn)高程）的最大、最小值分別為0.200，-0.200 m，互差中誤差M=±0.097 m，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1～2所示，均滿足SL 257-2017《水道觀測(cè)規(guī)范》要求。從表1～2可見(jiàn)，同點(diǎn)位高程互差均小于±0.2 m，且中誤差均優(yōu)于相關(guān)規(guī)范。

3.3 斷面精度分析

選取試驗(yàn)區(qū)域均勻分布的5個(gè)典型斷面，對(duì)比分析單波束、多波束數(shù)據(jù)。單波束測(cè)量相鄰測(cè)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致存在較大高差，而多波束測(cè)量相鄰測(cè)點(diǎn)距離較近，高程波動(dòng)幅度較小，對(duì)于水下地形測(cè)量，可分析連接點(diǎn)變化情況，由此判斷實(shí)際測(cè)點(diǎn)高程［10］。

圖4展示了同一斷面位置的單波束與多波束測(cè)點(diǎn)高程對(duì)比情況，在斷面形態(tài)上兩組數(shù)據(jù)基本一致，但對(duì)于地形變化較大處，多波束相比于單波束，其地形描繪的精細(xì)程度和準(zhǔn)確度更高。

本文選取試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)均勻分布的10個(gè)斷面進(jìn)行比測(cè)，每個(gè)斷面單波束和多波束各施測(cè)1次，各斷面面積差如表3所示，10個(gè)斷面的面積差均不大于2%，滿足SL 257-2017《水道觀測(cè)規(guī)范》要求。

3.4 地形圖精度分析

本文截取采用單波束測(cè)點(diǎn)和多波束測(cè)點(diǎn)繪制同一區(qū)域的水下地形圖，如圖5所示?？梢钥闯觯嗖ㄊ鴾y(cè)量首先具有全覆蓋、高效率特點(diǎn)，能更加客觀地反映水下真實(shí)情況，為決策提供數(shù)據(jù)支撐；其次可清晰直觀地表達(dá)河床的演變趨勢(shì)與形態(tài)，獲取更為密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)；且多波束測(cè)量在目標(biāo)物的形狀、大小及高低變化時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)，能繪制出更加精準(zhǔn)詳細(xì)的等高線，真實(shí)還原水下地形地貌。

3.5 二維影像效果

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)有一取水管道，通過(guò)側(cè)掃聲吶圖像數(shù)據(jù)獲取了取水管道的位置、大小及分布范圍，從圖6可清晰觀察取水管道的形態(tài)特征，與三維模型相互配合、驗(yàn)證和支撐，為數(shù)據(jù)分析提供有效補(bǔ)充。

3.6 三維模型效果

對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)改正、聲速改正、潮位改正、去除噪點(diǎn)等一系列處理，獲取了精確的水深數(shù)據(jù)，最終生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖7所示，可供后續(xù)建模使用。

綜合各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)，最終生成如圖8所示的取水管道結(jié)構(gòu)三維模型圖，可直觀、定量地顯示現(xiàn)階段取水管道情況。

4 結(jié) 論

為獲取河道水下地形地貌，本文協(xié)同運(yùn)用了多波束精密測(cè)深及側(cè)掃聲吶高清攝像，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對(duì)比同期施測(cè)的單波束和多波束水深測(cè)量數(shù)據(jù)、斷面數(shù)據(jù)、數(shù)字地形圖、側(cè)掃聲吶影像數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，最終建立典型水下構(gòu)筑物的三維模型，結(jié)論如下：

（1） 多波束數(shù)據(jù)剔除粗差后，各項(xiàng)精度指標(biāo)良好，與單波束相比，多波束測(cè)深系統(tǒng)覆蓋范圍更廣、點(diǎn)密度更大、效率更高，可準(zhǔn)確獲取水下地形豐富信息。

（2） 結(jié)合多波束精密測(cè)深數(shù)據(jù)和側(cè)掃聲吶二維影像，可清晰觀察水下構(gòu)筑物的形態(tài)特征，與三維模型相互配合、驗(yàn)證和支撐，為復(fù)雜水域的工程應(yīng)用提供參考。

（3） 聯(lián)合運(yùn)用多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，極大地改善了以往主要依靠人工判讀分析水下隱蔽建筑物的情況，有效避免了單波束測(cè)深系統(tǒng)點(diǎn)線式測(cè)圖的劣勢(shì)，將其發(fā)展為面狀測(cè)量，可最終生成高精度的三維模型，進(jìn)一步提高了水下地形測(cè)量的技術(shù)水平。

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（編輯：江 文）

Underwater terraine mapping based on multivariate collaborative technology under complex water conditions

WU Hao，ZHANG Xiaomeng

（Middle Changjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430012，China）Abstract：

To improve the accuracy of underwater terraine mapping under complex water conditions，the paper proposed a method of bathymetry survey based on multivariate cooperative bathymetry.By using the method，high-precision point clouds were obtained by multi-beam large-area survey，and the abnormal areas were identified by altitude coloring of point clouds.Then the side-scan sonar was used to focus on abnormal areas to screen and construct two-dimensional images.Finally，a fine-grained texture model of underwater structures was constructed by combining multi-beam point clouds.The downstream test area of Tianxingzhou Bridge in Wuhan was taken as an example.The results showed that the morphological characteristics of underwater structures could be clearly observed and abundant information of underwater terrain could be obtained by using the method of multi-beam precision sounding and side scan sonar high-definition photography.

Key words：

underwater terraine mapping； single-beam bathymetry system； multi-beam bathymetry system； side-scan sonar； complex water conditions

收稿日期：

2022-06-05

作者簡(jiǎn)介：

吳 昊，男，工程師，主要從事河道勘測(cè)方面的工作。E-mail：1090818964@qq.com

通信作者：

張曉萌，女，主要從事河道勘測(cè)工作。E-mail：2927626306@qq.com