多波束測深系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用

李 明，梁東澤

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 多波束測深系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1 聲吶發(fā)射和接收單元

多波束測深系統(tǒng)中設(shè)置了發(fā)射換能器陣列，能夠形成聲波并傳輸?shù)街付ㄎ恢茫竭_(dá)水底，反射的聲波能夠被其它裝置獲取，即接收換能器陣列，結(jié)合發(fā)射和接收扇區(qū)指向的特征獲取信息，主要依據(jù)正交性掌握地形信息，對該過程形成的照射腳印分析，可以獲取大量測量點(diǎn)的水深值，因此可以確定水下目標(biāo)的信息，包括尺寸和變化情況等，便于人員掌握水底地形信息并以此為依據(jù)繪制三維模型。

1.2 主機(jī)單元與筆記本工作站

多波束主機(jī)單元的作用是產(chǎn)生波束并實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，最終獲取數(shù)字信號，分析處理該信號確定各項參數(shù)，包括測量距離和時間間隔等。同時設(shè)置了大量的串行和同步鐘接口等，便于與傳感器連接并完成數(shù)據(jù)傳輸。主要借助網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)與工作站的通信。筆記本工作站中設(shè)置了控制軟件等，便于人員操作并呈現(xiàn)出各項信息數(shù)據(jù)，同時可以完成這些信息的分析處理。

1.3 慣導(dǎo)姿態(tài)定位設(shè)備

由于多波束測深工作時，是一個實(shí)時動態(tài)過程，定位設(shè)備與探頭在吃水線以下跟隨著船只的搖擺而有著小幅度擺動，需要各種傳感設(shè)備實(shí)時反應(yīng)出船只的狀態(tài)，并將采集信息反饋到采集系統(tǒng)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并將其分類為處于穩(wěn)定狀態(tài)的船體數(shù)據(jù)。同時，多波束測量系統(tǒng)平面精確定位需要一套定位系統(tǒng)設(shè)備（見圖1），以此來確定測點(diǎn)位置，從而得到其坐標(biāo)。

圖1 慣導(dǎo)姿態(tài)定位設(shè)備

1.4 聲速儀

在多波束測量時，涉及到不同類型的聲速值。

（1）一種是換能器深度處聲速值，稱之為表層聲速，用于波束形成，需要使用表面聲速儀對表層聲速進(jìn)行實(shí)時測量，避免造成無法挽回的錯誤。聲速儀發(fā)出的聲速如果大于空氣中傳播的聲速，那么水下地形圖會呈現(xiàn)“凹形”；聲速儀發(fā)出的聲速如果小于空氣中傳播的聲速，那么水下地形圖會呈現(xiàn)“凸形”。根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果，聲速C與溫度T存在一定聯(lián)系，且存在明顯相關(guān)性。

（2）另一種是水體深度處聲速值，即聲速剖面，能夠確定波束點(diǎn)的各項參數(shù)從而確定水深等。考慮到深度改變的情況下，水溫會受到影響，因此聲速也會有所改變（見圖2），另一方面，如果介質(zhì)物理特性有所調(diào)整，聲線也會受到影響，傳播方向會相應(yīng)的調(diào)整，出現(xiàn)折射等現(xiàn)象，而折射程度與上述聲速變化率存在一定聯(lián)系。所以，聲線傳播過程中容易受到不同介質(zhì)的影響，尤其是分層介質(zhì)，會產(chǎn)生多次折射現(xiàn)象。

圖2 深度誤差線

2 硬件設(shè)備安裝

2.1 支架與換能器安裝

一般情況下，使用船舷懸掛式安裝，在這種狀況下，安裝支架通常分成固定部分和懸掛部分，都是按照預(yù)定方案進(jìn)行設(shè)計和制作的。固定部分焊接在船舷；懸掛部分用螺絲鉚緊，必要時，增加前、后、側(cè)拉索。多波束系統(tǒng)的水下?lián)Q能器必須無遮擋安裝，換能器前方的水體中不應(yīng)有氣泡產(chǎn)生。對所選擇使用的測量船只而言，換能器探頭安裝的最合適的位置是其前部接近龍骨的位置，其次才是船舷的一側(cè)。

2.2 GPS天線與姿態(tài)儀安裝

在艙頂選取位置GPS天線，選取的位置衛(wèi)星通視良好、沒有干擾、布線符合規(guī)范。GPS 天線安裝在換能器的正上方，兩個天線的距離（基線長）建議大于2 m，小于5 m，兩個天線的位置可以根據(jù)凈空情況垂直或平行船龍骨軸線。安裝時盡量避免電纜通過艙口或窗口，所有的電纜都有最小彎曲半徑，保持最小彎曲半徑敷設(shè)。

甲板式姿態(tài)儀安裝的位置應(yīng)選取干燥的船艙，安裝的位置應(yīng)選取一個和船身貼合的地方固定，水平位置盡量的靠近水面，平面位置選取船的重心。布線盡可能避免從窗門進(jìn)入船艙，避開甲板通道，不與電線在一起。布線原則基本和GPS天線連接線一樣。

2.3 主機(jī)安裝

由于作業(yè)地點(diǎn)一般都在航道上，所以選取位置應(yīng)找到固定桌子平臺，并按照船只的搖晃程度適當(dāng)使用固定角鐵固定。接線時要注意接口的一一對應(yīng)，切勿大力插拔，線纜均屬貴重物品，要注意使用時的維護(hù)。

3 多波束校準(zhǔn)

考慮到多波束換能器實(shí)際安裝時難以保持水平，因此該器件與水平面會形成一定角度，主要是對比船只水平面，該角度主要作為縱搖偏差（pitch）；該角度集中在縱向上，針對垂直方向，一般構(gòu)成了橫搖偏差（roll）。

在實(shí)時測量過程中，由于船體的運(yùn)動導(dǎo)致?lián)Q能器與水平面之間也產(chǎn)生一個動態(tài)夾角，所以每一個橫搖角與縱搖角都包含一個動態(tài)分量和靜態(tài)分量。動態(tài)分量是因水波、海涌、風(fēng)浪等外界原因造成，可以通過姿態(tài)儀予以校正（見圖3）；靜態(tài)分量是由于設(shè)備安裝造成的，即平時所說的橫搖偏角和縱搖偏角。

圖3 多波束校準(zhǔn)

兩天線安裝的指向與換能器指向可能存在偏差，這個偏差叫艏向偏差（heading）。

4 應(yīng)用實(shí)例

那板水庫是一座集防洪、灌溉、水力發(fā)電、城鎮(zhèn)供水及養(yǎng)殖等功能大（2）型水庫，水庫集雨面積490 km2，總庫容8.32 億m3，設(shè)計灌溉農(nóng)田3.5 萬畝。運(yùn)用多波束測深系統(tǒng)對庫底地形進(jìn)行監(jiān)測，為完善水庫崩岸監(jiān)測體系提供重要的監(jiān)測手段。

4.1 建立測區(qū)控制網(wǎng)

收集整理那板水庫淤積物數(shù)據(jù)，總結(jié)目前那板水庫淤積物的現(xiàn)狀問題，收集整理庫區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境和地形地貌特征，了解庫區(qū)監(jiān)測的重點(diǎn)難點(diǎn)，建立庫區(qū)四等平面、高程控制網(wǎng)，將庫區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一到國家標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)框架下，并建立相應(yīng)等級的變形監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)?；酒矫婵刂凭W(wǎng)不應(yīng)低于五等，重要水庫不應(yīng)低于四等。基本高程控制網(wǎng)不應(yīng)低于四等。平面和高程控制網(wǎng)應(yīng)包括水庫最高蓄水位的淹沒、浸沒、塌岸和水庫淤積、回水發(fā)展可能影響到的地區(qū)。為地形圖測繪、斷面測繪、水位測量等提供坐標(biāo)、高程起算依據(jù)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一，為后續(xù)各項監(jiān)測提供基準(zhǔn)點(diǎn)框架。

4.2 水下地形測量

選擇在枯水季節(jié)測量，在總結(jié)現(xiàn)有那板水庫水下地形分布的基礎(chǔ)上，采用GNSS 設(shè)備與上述測深系統(tǒng)完成測量工作，獲取水下地形信息，包括橫斷面端點(diǎn)測量和縱橫斷面測量，基本保障水下每0.1 m2區(qū)域有點(diǎn)，密集的點(diǎn)形成了水下的點(diǎn)云圖，經(jīng)過去噪等處理后生成高度還原的水下地形三維模型和三維等深線、平面二維等深線、等高線，為庫容計算提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。其次，結(jié)合庫區(qū)安全運(yùn)行管理和水質(zhì)優(yōu)化目標(biāo)，以問題為導(dǎo)向，研究提出減少泥沙入庫和清除水庫淤積的措施等內(nèi)容，為同類水庫工程的水環(huán)境治理和防治積累資料和經(jīng)驗。測量比例尺為1∶1000，同時須測量水位高程。同一庫段測圖比例尺一經(jīng)選定不宜變動。經(jīng)過技術(shù)處理，繪制水下地形圖（見圖4）及建立水下三維模型（見圖5），實(shí)現(xiàn)首次完善和查看水庫建庫以來的真實(shí)地形地貌信息。

圖4 水下地形圖

圖5 水下三維模型

水下地形測量的重點(diǎn)是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，需要采取必要的措施，比如對儀器實(shí)時監(jiān)視，采集數(shù)據(jù)的信噪比，以及測量范圍。同時固定儀器的船舶需要勻速前行，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況調(diào)整船速，避免收集到的每個原始數(shù)據(jù)文件過大，而導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況。若傳感器無法正常工作，需要停止測量工作，找出系統(tǒng)中存在的問題。如果回波信號質(zhì)量不滿足要求，需要改變發(fā)射和接收模式，調(diào)整各項參數(shù)，從而提高多波束信號質(zhì)量。如果采集數(shù)據(jù)范圍較窄，數(shù)據(jù)不完整，導(dǎo)致測深結(jié)果精度不高時，應(yīng)采取補(bǔ)測等方式處理。

在實(shí)際測量時研究單波束測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)具有一定特征，如數(shù)據(jù)點(diǎn)密度較高。能夠獲取水下目標(biāo)相關(guān)信息，包括尺寸等。以這些數(shù)據(jù)為依據(jù)繪制等深線，能夠準(zhǔn)確表示地形特征，查看其中包含的沙坡和石堆等。，

4.3 固定斷面測量

水文剖面測量一般是在水流速度變化處布設(shè)，如轉(zhuǎn)彎處、寬庫區(qū)或者窄庫區(qū)，間距在500～3000 m之間，能夠體現(xiàn)出縱橫方向的轉(zhuǎn)折變化，正確反應(yīng)庫底地形情況。宜兩岸埋設(shè)永久性固定斷面標(biāo)志，固定斷面標(biāo)志平面應(yīng)不低于二級圖根點(diǎn)精度，高程應(yīng)不低于五等水準(zhǔn)精度。每次監(jiān)測位置固定，不宜改動。采用北斗GNSS結(jié)合測深儀對斷面位置地形進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測斷面位置的地形變化，推算庫區(qū)淤積，同時進(jìn)行庫水位監(jiān)測，用于計算庫容。

在測量區(qū)域的關(guān)鍵部位設(shè)置剖面，使用相同的剖面樁進(jìn)行剖面測量。以1∶2000 的比例尺對固定剖面進(jìn)行對比測量，并繪制剖面圖。在處理測量數(shù)據(jù)時，主要對河流高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)繪制圖例，其中涉及到大量不同測量次數(shù)的剖面數(shù)據(jù)。用不同的顏色和線形表示不同監(jiān)測調(diào)查次數(shù)的剖面。根據(jù)剖面圖中的縱橫坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，計算河堤水下地形的變化，得出結(jié)果。固定剖面對比圖見圖6，斷面位置示意圖見圖7。

圖6 固定剖面對比圖

圖7 斷面位置示意圖

4.4 水庫監(jiān)測管理平臺

那板水庫力爭打造為廣西壯族自治區(qū)“智慧化”管理的標(biāo)桿，需對水庫的各種基礎(chǔ)信息、數(shù)據(jù)全方面掌握，以利于以后的監(jiān)督、管理和維護(hù)。那板水庫雖已先后建設(shè)支撐水庫工程安全、防洪等業(yè)務(wù)管理的信息系統(tǒng)，但沒有統(tǒng)籌兼顧各種信息系統(tǒng)的建設(shè)，致使各類數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，分散式存儲，存在數(shù)據(jù)壁壘和信息孤島現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合和共享?；贐/S 構(gòu)架開發(fā)水庫監(jiān)測管理平臺（見圖8），全面融合激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、多波束測深數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，根據(jù)水庫淤積的分布、演變情況，對不同水位下庫容的影響情況進(jìn)行分析、統(tǒng)計，自動生成各類圖表，形象生動地顯示庫區(qū)淤積情況和分布。數(shù)據(jù)平臺提供二次開發(fā)接入的接口，方便數(shù)據(jù)的互通互用，同時也可整合或納入其他平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合和共享。

圖8 水庫監(jiān)測管理平臺

5 存在的問題

為了能夠?qū)δ前逅畮斓淖兓闆r進(jìn)行實(shí)時了解，那板水庫管理處每年都會對關(guān)鍵的崩岸段、河勢控制區(qū)域進(jìn)行水下地形監(jiān)控，監(jiān)控的距離達(dá)到了20 多公里，對水庫的監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行了主要的分析，并給出了那板水庫崩岸預(yù)警的基本資料。但是，在應(yīng)用過程中也會出現(xiàn)以下問題。

（1）由于多波束測距所需的資料非常龐大，而且后期的內(nèi)部加工工作比較繁瑣，人為的介入會導(dǎo)致加工的準(zhǔn)確性受到很大的影響。在水急水淺的地區(qū)，這個系統(tǒng)的工作效率比較差，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)：這個系統(tǒng)在深水（＞3 m）區(qū)域的大比例尺、小范圍測圖方面，有著傳統(tǒng)的測深系統(tǒng)所不能相比的優(yōu)勢，但是它并不適合進(jìn)行淺水、小比例尺的測量[1]。

（2）考慮到多波束測深系統(tǒng)具有一定缺陷，如靈活性不高，安裝流程過于復(fù)雜，操作難度較高，對比單波束測深系統(tǒng)，該系統(tǒng)耗費(fèi)了大量的人力物力資源，人員需要完成外業(yè)操作和內(nèi)業(yè)處理等工作，工作效率較低[2]。

（3）多波束測深系統(tǒng)可能形成明顯的誤差，而且往往難以發(fā)現(xiàn)。多波束測深系統(tǒng)運(yùn)行過程中容易受到各種因素的影響，如水流、系統(tǒng)參數(shù)和測船等。所以，在測量期間，應(yīng)合理設(shè)置各個設(shè)備的位置，加強(qiáng)質(zhì)量控制，做好精度評估工作，確保測量工作順利開展，提高測深精度。正確處理船舶測量時的吃水深度，測量船的橫搖縱搖對測量結(jié)果至關(guān)重要，應(yīng)加強(qiáng)測定。

（4）在數(shù)據(jù)后處理時，還需要重新對各種校正參數(shù)進(jìn)行核對，是否有人工輸錯或是因外界條件影響導(dǎo)致偏差。

6 結(jié)語

近幾年，利用多波束水深測量技術(shù)，收集了那板水庫崩岸區(qū)的水底資料，并進(jìn)行了觀測與對比，在此基礎(chǔ)上，探討崩岸區(qū)潰決及其預(yù)測方法，并對崩岸區(qū)進(jìn)行主動防護(hù)，以保證水庫水位不會有較大的改變。按照水庫水位的變動特征，在洪峰之前和洪峰之后，增加對大壩的監(jiān)控次數(shù)，并為收集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個特殊的地理資訊資料庫，為水庫水環(huán)境治理、水資源保護(hù)以及水工程建設(shè)與養(yǎng)護(hù)等方面的研究提供技術(shù)支撐。