多波束測深系統在水利工程中的應用

李 明，梁東澤

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 多波束測深系統硬件構成

1.1 聲吶發射和接收單元

多波束測深系統中設置了發射換能器陣列，能夠形成聲波并傳輸到指定位置，到達水底，反射的聲波能夠被其它裝置獲取，即接收換能器陣列，結合發射和接收扇區指向的特征獲取信息，主要依據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的水深值，因此可以確定水下目標的信息，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繪制三維模型。

1.2 主機單元與筆記本工作站

多波束主機單元的作用是產生波束并實現信號的轉換，最終獲取數字信號，分析處理該信號確定各項參數，包括測量距離和時間間隔等。同時設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據傳輸。主要借助網絡連接實現與工作站的通信。筆記本工作站中設置了控制軟件等，便于人員操作并呈現出各項信息數據，同時可以完成這些信息的分析處理。

1.3 慣導姿態定位設備

由于多波束測深工作時，是一個實時動態過程，定位設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，需要各種傳感設備實時反應出船只的狀態，并將采集信息反饋到采集系統，對采集到的數據進行校正，并將其分類為處于穩定狀態的船體數據。同時，多波束測量系統平面精確定位需要一套定位系統設備（見圖1），以此來確定測點位置，從而得到其坐標。

圖1 慣導姿態定位設備

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行實時測量，避免造成無法挽回的錯誤。聲速儀發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“凹形”；聲速儀發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“凸形”。根據相關試驗結果，聲速C與溫度T存在一定聯系，且存在明顯相關性。

（2）另一種是水體深度處聲速值，即聲速剖面，能夠確定波束點的各項參數從而確定水深等?？紤]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，如果介質物理特性有所調整，聲線也會受到影響，傳播方向會相應的調整，出現折射等現象，而折射程度與上述聲速變化率存在一定聯系。所以，聲線傳播過程中容易受到不同介質的影響，尤其是分層介質，會產生多次折射現象。

圖2 深度誤差線

2 硬件設備安裝

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，都是按照預定方案進行設計和制作的。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、側拉索。多波束系統的水下換能器必須無遮擋安裝，換能器前方的水體中不應有氣泡產生。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。

2.2 GPS天線與姿態儀安裝

在艙頂選取位置GPS天線，選取的位置衛星通視良好、沒有干擾、布線符合規范。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。

甲板式姿態儀安裝的位置應選取干燥的船艙，安裝的位置應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 主機安裝

由于作業地點一般都在航道上，所以選取位置應找到固定桌子平臺，并按照船只的搖晃程度適當使用固定角鐵固定。接線時要注意接口的一一對應，切勿大力插拔，線纜均屬貴重物品，要注意使用時的維護。

3 多波束校準

考慮到多波束換能器實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，一般構成了橫搖偏差（roll）。

在實時測量過程中，由于船體的運動導致換能器與水平面之間也產生一個動態夾角，所以每一個橫搖角與縱搖角都包含一個動態分量和靜態分量。動態分量是因水波、海涌、風浪等外界原因造成，可以通過姿態儀予以校正（見圖3）；靜態分量是由于設備安裝造成的，即平時所說的橫搖偏角和縱搖偏角。

圖3 多波束校準

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 應用實例

那板水庫是一座集防洪、灌溉、水力發電、城鎮供水及養殖等功能大（2）型水庫，水庫集雨面積490 km2，總庫容8.32 億m3，設計灌溉農田3.5 萬畝。運用多波束測深系統對庫底地形進行監測，為完善水庫崩岸監測體系提供重要的監測手段。

4.1 建立測區控制網

收集整理那板水庫淤積物數據，總結目前那板水庫淤積物的現狀問題，收集整理庫區周邊生態環境和地形地貌特征，了解庫區監測的重點難點，建立庫區四等平面、高程控制網，將庫區坐標系統統一到國家標準坐標系統框架下，并建立相應等級的變形監測基準點、工作基點?；酒矫婵刂凭W不應低于五等，重要水庫不應低于四等?；靖叱炭刂凭W不應低于四等。平面和高程控制網應包括水庫最高蓄水位的淹沒、浸沒、塌岸和水庫淤積、回水發展可能影響到的地區。為地形圖測繪、斷面測繪、水位測量等提供坐標、高程起算依據，實現坐標高程基準的統一，為后續各項監測提供基準點框架。

4.2 水下地形測量

選擇在枯水季節測量，在總結現有那板水庫水下地形分布的基礎上，采用GNSS 設備與上述測深系統完成測量工作，獲取水下地形信息，包括橫斷面端點測量和縱橫斷面測量，基本保障水下每0.1 m2區域有點，密集的點形成了水下的點云圖，經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的數據。其次，結合庫區安全運行管理和水質優化目標，以問題為導向，研究提出減少泥沙入庫和清除水庫淤積的措施等內容，為同類水庫工程的水環境治理和防治積累資料和經驗。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選定不宜變動。經過技術處理，繪制水下地形圖（見圖4）及建立水下三維模型（見圖5），實現首次完善和查看水庫建庫以來的真實地形地貌信息。

圖4 水下地形圖

圖5 水下三維模型

水下地形測量的重點是現場數據采集，為了確保數據準確，需要采取必要的措施，比如對儀器實時監視，采集數據的信噪比，以及測量范圍。同時固定儀器的船舶需要勻速前行，根據現場的實際情況調整船速，避免收集到的每個原始數據文件過大，而導致原始數據出現異常情況。若傳感器無法正常工作，需要停止測量工作，找出系統中存在的問題。如果回波信號質量不滿足要求，需要改變發射和接收模式，調整各項參數，從而提高多波束信號質量。如果采集數據范圍較窄，數據不完整，導致測深結果精度不高時，應采取補測等方式處理。

在實際測量時研究單波束測量數據，發現測量數據具有一定特征，如數據點密度較高。能夠獲取水下目標相關信息，包括尺寸等。以這些數據為依據繪制等深線，能夠準確表示地形特征，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，如轉彎處、寬庫區或者窄庫區，間距在500～3000 m之間，能夠體現出縱橫方向的轉折變化，正確反應庫底地形情況。宜兩岸埋設永久性固定斷面標志，固定斷面標志平面應不低于二級圖根點精度，高程應不低于五等水準精度。每次監測位置固定，不宜改動。采用北斗GNSS結合測深儀對斷面位置地形進行監測，監測斷面位置的地形變化，推算庫區淤積，同時進行庫水位監測，用于計算庫容。

在測量區域的關鍵部位設置剖面，使用相同的剖面樁進行剖面測量。以1∶2000 的比例尺對固定剖面進行對比測量，并繪制剖面圖。在處理測量數據時，主要對河流高程數據進行分析，并以此為基礎繪制圖例，其中涉及到大量不同測量次數的剖面數據。用不同的顏色和線形表示不同監測調查次數的剖面。根據剖面圖中的縱橫坐標進行對比分析，計算河堤水下地形的變化，得出結果。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 水庫監測管理平臺

那板水庫力爭打造為廣西壯族自治區“智慧化”管理的標桿，需對水庫的各種基礎信息、數據全方面掌握，以利于以后的監督、管理和維護。那板水庫雖已先后建設支撐水庫工程安全、防洪等業務管理的信息系統，但沒有統籌兼顧各種信息系統的建設，致使各類數據相互獨立，分散式存儲，存在數據壁壘和信息孤島現象，無法實現數據資源的整合和共享?；贐/S 構架開發水庫監測管理平臺（見圖8），全面融合激光雷達數據、多波束測深數據、影像數據、三維數據等多源數據，根據水庫淤積的分布、演變情況，對不同水位下庫容的影響情況進行分析、統計，自動生成各類圖表，形象生動地顯示庫區淤積情況和分布。數據平臺提供二次開發接入的接口，方便數據的互通互用，同時也可整合或納入其他平臺，實現數據資源的整合和共享。

圖8 水庫監測管理平臺

5 存在的問題

為了能夠對那板水庫的變化情況進行實時了解，那板水庫管理處每年都會對關鍵的崩岸段、河勢控制區域進行水下地形監控，監控的距離達到了20 多公里，對水庫的監控數據進行了主要的分析，并給出了那板水庫崩岸預警的基本資料。但是，在應用過程中也會出現以下問題。

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

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

（3）多波束測深系統可能形成明顯的誤差，而且往往難以發現。多波束測深系統運行過程中容易受到各種因素的影響，如水流、系統參數和測船等。所以，在測量期間，應合理設置各個設備的位置，加強質量控制，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果至關重要，應加強測定。

（4）在數據后處理時，還需要重新對各種校正參數進行核對，是否有人工輸錯或是因外界條件影響導致偏差。

6 結語

近幾年，利用多波束水深測量技術，收集了那板水庫崩岸區的水底資料，并進行了觀測與對比，在此基礎上，探討崩岸區潰決及其預測方法，并對崩岸區進行主動防護，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，增加對大壩的監控次數，并為收集到的監控數據創建一個特殊的地理資訊資料庫，為水庫水環境治理、水資源保護以及水工程建設與養護等方面的研究提供技術支撐。