多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用

摘要：水利測繪是組織水利工程建設(shè)、了解區(qū)域自然條件的關(guān)鍵手段，這要求改善工作水平，并從技術(shù)角度尋求更多突破。以多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢為切入點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，分析其應(yīng)用方法，就坐標(biāo)系建設(shè)、歸位分析、參數(shù)校正等主要環(huán)節(jié)進(jìn)行論述，最后，簡單展望多波束測深技術(shù)在水利測繪中的未來應(yīng)用，以有效呈現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢、特點(diǎn)，服務(wù)水利測繪活動。

關(guān)鍵詞：多波束測深技術(shù)"水利測繪"坐標(biāo)系"參數(shù)校正

Application"of"Multibeam"Bathymetry"Technology"in"Water"Conservancy"Surveying"and"Mapping

CHANG"Zhengke"GUO"Zhenzhen

Yellow"River"Hydrological"Survey"and"Mapping"Bureau，"Zhengzhou，"He’nan"Province，"450000"China

Abstract："Water"conservancy"surveying"and"mapping"is"a"key"means"of"organizing"water"conservancy"engineering"construction"and"understanding"regional"natural"conditions，"which"requires"improving"work"level"and"seekingnbsp;more"breakthroughs"from"a"technical"perspective."Starting"from"the"application"advantages"of"Multibeam"Bathymetry"technology"in"water"conservancy"surveying"and"mapping，"on"this"basis，"this"paper"analyzes"its"application"methods，"discusses"the"main"links"of"coordinate"system"construction，"positioning"analysis，"and"parameter"calibration，"and"finally"briefly"looks"forward"to"the"future"application"of"Multibeam"Bathymetry"technology"in"water"conservancy"surveying"and"mapping，"in"order"to"effectively"present"technical"advantages"and"characteristics"and"serve"water"conservancy"surveying"and"mapping"activities.

Key"Words："Multibeam"Bathymetry"technology;"Water"conservancy"surveying"and"mapping;"Coordinate"system;"Parameter"calibration

多波束測深技術(shù)屬于一種測繪技術(shù)，主要采用廣角度發(fā)射和多信道定向接收獲得水下高密度條幅式水底地形數(shù)據(jù)。因其覆蓋能力強(qiáng)且能夠同步組織多波束作業(yè)，往往可以短時間內(nèi)獲取比較精準(zhǔn)的原始信息，提供高質(zhì)量的測繪服務(wù)。在各地水利工程中，多波束測深技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛，可以獲取較理想的預(yù)期成果[1]?？紤]到未來水利工程建設(shè)、資源調(diào)查對探測信息的高依賴性，分析多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢、方法等內(nèi)容具有一定的積極意義。

1"多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1精度高

在水利測繪中，多波束測深技術(shù)的主要優(yōu)勢在于精度較高。從一般原理上看，多波束測深技術(shù)沒有脫離波束探測的基本范疇，仍以聲波為工具，但由于該技術(shù)下工作設(shè)備（一般由船只裝載）能夠完成多聲波的同步作業(yè)，在同一空間范圍內(nèi)快速實(shí)時進(jìn)行原始信息采集，顯著提升了信息采集的范圍效應(yīng)和準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證了作業(yè)精度[2]。此外，現(xiàn)代化的傳感設(shè)施、定位系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)設(shè)施也進(jìn)一步為多波束測深技術(shù)的運(yùn)用提供了支持，能夠完成短時間內(nèi)復(fù)雜數(shù)據(jù)的快速加工處理。在海洋水利工程探測活動中，其精度已經(jīng)可以控制在10"m以內(nèi)，成果理想[3]。

1.2效率理想

多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用也具有效率較高的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的波束探測技術(shù)主要面臨精度、成本二者難以兼顧的問題。采用窄波束技術(shù)或加密測線的情況下，雖然探測精度較高，但帶來了成本壓力，探測工作的時間成本也較高。采用多波束測深技術(shù)，能夠利用不同波束進(jìn)行信息采集，面向相同空間范圍內(nèi)的不同目標(biāo)、不同小空間獲取原始信息，多方向的采集作業(yè)是同步進(jìn)行的，能夠控制時間成本，保證測繪精度的同時，優(yōu)化了作業(yè)效率[4]。

1.3適用范圍廣泛

從適用性上看，多波束測深技術(shù)能夠滿足大部分區(qū)域、大部分水利工程測試工作、大部分資源探測工作的一般需求，這意味著其在適用性方面具有一定優(yōu)勢。例如：針對近海大陸架、內(nèi)湖深水區(qū)組織的水利測繪，在水深、水質(zhì)等主要環(huán)境因素差別不大的情況下，可以采用相同或基本相同的作業(yè)模式，減少或避免重復(fù)進(jìn)行工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)的困擾[5]。應(yīng)用于多波束測深技術(shù)的絕大多數(shù)設(shè)施和工具可以重復(fù)應(yīng)用，其測繪結(jié)果也可以重復(fù)用于測繪有關(guān)活動，發(fā)揮延伸服務(wù)作用。

2"多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用方法

2.1早期準(zhǔn)備

多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用以早期準(zhǔn)備工作為基礎(chǔ)，主要包括測繪區(qū)域基本信息分析、水下環(huán)境研究、設(shè)施準(zhǔn)備、船只準(zhǔn)備等。目前，多波束測深技術(shù)主要以探測船只為載體，需要以船只搭載工作設(shè)備采集有關(guān)數(shù)據(jù)。早期工作應(yīng)做好船只、聲波發(fā)射和接收器準(zhǔn)備，確保船只行駛控制能力理想、設(shè)施功能無異常；同時了解水下基本環(huán)境，確保其符合多波束測深技術(shù)的應(yīng)用需要，規(guī)劃合理的探測方案、路徑，規(guī)避礁石、水下干擾源等影響測繪精度的區(qū)域，形成完善的工作方案，指導(dǎo)后續(xù)測繪工作。

2.2坐標(biāo)系建設(shè)

在嘗試發(fā)揮多波束測深技術(shù)的優(yōu)勢組織水利測繪時，要求根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)首先進(jìn)行探測空間范圍內(nèi)的坐標(biāo)系建設(shè)。該坐標(biāo)系一般以測繪范圍為基準(zhǔn)，以相對不變的物體為參考（如船只），為廣角度發(fā)射、多陣列信號定向接收形成的信息網(wǎng)絡(luò)提供定位方面的支持，以便同步完成多波束信息的加工（如圖1所示）。

具體工作中，可以根據(jù)圖1所示原理，以船只橫向左舷（波束1所在方向）為X軸，以船只縱向船頭方向（波束2所在方向）為Y軸，以鉛垂向下為Z軸。此模式下，主要默認(rèn)波束系統(tǒng)的換能器相對船只位置固定，以船只作為參考物，將換能器的對稱中心作為坐標(biāo)系原點(diǎn)。船只的位置實(shí)際上與換能器同步變化，但由于二者的變化形式、方向、規(guī)模完全相同，可以默認(rèn)在某一個時間節(jié)點(diǎn)內(nèi)反而是固定不變的，在此條件下建設(shè)的坐標(biāo)系也僅用于表達(dá)該時間節(jié)點(diǎn)條件下目標(biāo)區(qū)域的測繪結(jié)果信息。該信息是二維化的，通過多信息組合形成立體三維化的測繪結(jié)果后，可用于后續(xù)另類關(guān)聯(lián)工作。實(shí)際工作中，如果使用了非船只搭載的工作系統(tǒng)，則不能應(yīng)用此方式，需要重新選定具有相對不變特點(diǎn)的物體作為參考物，建設(shè)新的坐標(biāo)系。

2.3有效組織歸位

在應(yīng)用多波束測深技術(shù)組織水利測繪時，需要加強(qiáng)歸位工作。該工作主要強(qiáng)調(diào)根據(jù)坐標(biāo)系的建設(shè)結(jié)果、測深工作的具體信息進(jìn)行變量處理，將不同時間節(jié)點(diǎn)下獲取的靜態(tài)信息轉(zhuǎn)化為三維立體化信息，形成便于應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化測繪成果。

在船只搭載設(shè)施進(jìn)行測繪的情況下，一般需要考慮船位、航向、船姿、聲波傳播時間等4個核心要素，并考慮介質(zhì)成分的影響。其中，聲波傳播時間帶有一定的動態(tài)性。由于測深區(qū)域的水底情況不同，所以其深度往往是不同，波束到達(dá)角和波束旅行時也多存在差異。為保證歸位工作質(zhì)量，可以采用以下方法進(jìn)行處理。

一是以船只參考系的波束到達(dá)角為基礎(chǔ)，計(jì)算其具體數(shù)值（數(shù)值1），并確定該波束被接收時的船姿參數(shù)，將數(shù)值1轉(zhuǎn)化為垂直參考系下的波束到達(dá)角。此方式的優(yōu)勢在于原理簡單、方式明確，但不能妥善考慮其他次要因素的影響，可能產(chǎn)生較多誤差。

二是以船位、航向等靜態(tài)信息為基礎(chǔ)，計(jì)算聲學(xué)投射平面內(nèi)的側(cè)向中心距離數(shù)值（數(shù)值2），建設(shè)大地參考坐標(biāo)系統(tǒng)，將數(shù)值2轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)進(jìn)行歸位。該方式也可能產(chǎn)生一定誤差，對動態(tài)因素的控制能力不強(qiáng)。

三是確定聲波的投射平面范圍、垂直參考系有關(guān)參數(shù)，對波束到達(dá)角、旅行時進(jìn)行分析，計(jì)算波束測點(diǎn)的側(cè)向中心距離（數(shù)值3）、換能器以下的水深參數(shù)（數(shù)值4），計(jì)算數(shù)值3和數(shù)值4的差異，以評估動態(tài)可能造成的影響。因?yàn)椴煌ㄊ墓ぷ鞔嬖谏僭S時間差，所以，這一方式可以根據(jù)時間差進(jìn)行參數(shù)誤差控制，以提升歸位精度，但計(jì)算工作量較大，復(fù)雜性偏高。

2.4信息存儲與復(fù)用

在水利測繪過程中應(yīng)用多波束測深技術(shù)的情況下，需要對各類原始信息、進(jìn)階信息進(jìn)行讀取、加工和記錄，并做保存和復(fù)用。原則上，所有同一時間節(jié)點(diǎn)內(nèi)形成測深數(shù)據(jù)形成的二維平面圖，對多個二維平面圖進(jìn)行處理，可以形成三維化的模型圖。僅以測深為目標(biāo)，也可以不做三維化處理，對二維信息進(jìn)行整合，形成測深文件即可。原則上，主張對測深結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化處理，存儲于云空間、便攜式設(shè)備或電子計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)調(diào)取、查看和使用。

3"多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用展望

3.1智能作業(yè)

未來，可以借助智能技術(shù)，提升多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用效果。以上文所述的橫搖偏差校正為例，在組織測深過程中，可以建立虛擬工作系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用智能技術(shù)、水準(zhǔn)儀等進(jìn)行工作，當(dāng)船只出現(xiàn)橫擺、位置偏移問題，或者設(shè)施安裝不能達(dá)到水平要求時，由虛擬工作系統(tǒng)給出提示和糾正意見，工作人員根據(jù)有關(guān)信息進(jìn)行校正，更改船只和工作設(shè)備的位置，使橫搖偏差得到控制，改善多波束測深技術(shù)所獲數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，優(yōu)化其在水利測繪中的應(yīng)用質(zhì)量。

3.2模型測繪

模型測繪主要建議加強(qiáng)多波束測深技術(shù)工作資料的復(fù)用，收集成熟的技術(shù)方法及作業(yè)機(jī)制和參數(shù)，并以信息化方式保留，形成完善的工作模型，如偏差糾正、航速航向控制等，形成比較完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在組織水利測繪時代入該模型，以改善早期工作效率，提升測深工作的規(guī)范性。

3.3介質(zhì)影響分析與控制

海水、河水和湖水的成分各有不同，水內(nèi)的一些成分影響聲波傳播，進(jìn)而影響多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用效果，降低測深工作精度。未來，在組織測深工作開始前，可以采集測深范圍內(nèi)的水樣，分析其成分，建立補(bǔ)償機(jī)制，根據(jù)水樣特點(diǎn)分析偏差水平，獲取一個固定參數(shù)歸入測深工作原始信息中，用于糾正測深產(chǎn)生的偏差。

4結(jié)語

綜上所述，多波束測深技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用具有精度高、效率理想等方面的優(yōu)勢，適用范圍也比較廣泛，應(yīng)在具體工作中予以更多關(guān)注。在實(shí)際工作中，應(yīng)根據(jù)測試需要做好準(zhǔn)備工作，之后，通過坐標(biāo)系建設(shè)、歸位組織、參數(shù)校正等工作獲取可靠的測繪結(jié)果，并做存儲、復(fù)用。為了進(jìn)一步提升該技術(shù)的應(yīng)用效果，未來，可以嘗試引入智能技術(shù)、模擬分析法提供輔助，設(shè)法控制介質(zhì)因素的一般影響，提升水利測繪工作的總體水平。

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