無人船多波束測深技術在拋石護岸工程評價中的應用

劉定寧

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

眾所周知，大江河道堤防的安全穩定在防洪減災中發揮著重要作用，而兩岸堤防常年受到洪水、水流及風浪的沖刷和侵蝕，為增強其防御性和抗風險能力，在河流兩岸堤邊會定期實施一系列的河道護岸工程[1-2]。目前，水下拋石具有成本低、施工簡單靈活、可分期施工加固等優點，是其中最為普遍的一種護岸方式[3]。但是由于水體的遮擋，無法直接探查水下復雜的地形地貌，且拋石過程受到水流影響，會對拋石位置產生不確定性。水下拋石護岸工程是一種隱蔽工程，無法直接對拋石質量進行評估，目前通常采用水下地形的變化分析對其質量進行評價[4]。因此，獲取拋石前后高質量的水下地形數據至關重要。

隨著測深技術的快速發展，單波束測深儀和多波束測深系統是獲取水下地形數據的兩種常用測量設備。傳統的單波束測深技術獲取的是精度、密度和覆蓋率都比較低的水下地形，而通過此成果采用傳統的斷面對比方法對拋石質量的評估有顯著影響，并且對計算水下拋石總方量也會有一定差距，從而會影響拋石施工質量，不能完全發揮護岸工程的實際效益[5]。

多波束測深系統通過發射脈沖，能夠獲得一個條帶覆蓋區域內水深條帶值，實現從點、線到面測量的跨域，廣泛應用于河道水下地形測量[6]。它能夠快速地獲取全覆蓋的高精度、高密度水下點云數據，其測點數據多達百萬級或千萬級以上，精度可達0.1 m，從而能夠很好地反應水下目標物，實現對水底地形的精確表達，對拋石護岸工程質量評價的準確性具有十分重要的作用[7-8]。而通過無人船搭載多波束的新型作業模式，在獲取高質量數據的同時，還能降低人工成本，提升作業效率。

2 系統介紹

近幾年來，無人船測量技術在水下地形測量中得到廣泛應用，是一種新的水下作業模式，通過搭載多波束設備，不僅可以在河道近岸淺灘、江河湖泊和淺水區域中測量，而且還能保證數據的精度，有效地提高作業效率[9-11]。本次通過使用集成化華微6號無人船搭載Norbit多波束測深系統進行水下地形測量，系統介紹如下。

2.1 華微6號測量船

華微6號測量船是一款集成化、多搭載、超輕便的全碳身自動無人船平臺，整船重15 kg，由碳纖維一體成型，輕便、堅固，續航6 h，吃水0.15 m，最大通訊距離為2 km，可以自動巡航模式按照設計路線行駛，具有手動遙控相互切換、智能避障等功能，能夠兼顧物流運輸和近海風浪環境?？梢源钶d多波束測深系統和激光雷達，定制搭載ADCP、多參數水質儀、側掃聲吶等水文、物理勘查設備，可以滿足不同應用需求。船體內部已經高度集成了多波束測深系統所需的主控、甲板單元、計算機和GNSS等設備，作業時簡單安裝Norbit多波束便可以進行水下測量作業。

2.2 Norbit 多波束

Norbit多波束是由NORBIT公司研發的一款新一代集成化、輕便化、高精度的多波束測深系統，它集成聲納探頭、高精度GNSS、慣性導航系統INS、表面聲速計于一體，具有輕便小巧，安裝方便、功耗低等優點。換能器采用曲面陣列設計，能夠有效的接收邊緣波束的信號，大大提高工作效率，克服了傳統多波束測深系統沒有辦法掃測到兩側淺灘的問題，可以提供多種水深測量方案(無人船多波束測深系統如圖1所示)。

圖1 無人船多波束測深系統示意

2.3 工作原理

多波束測深系統的工作原理與單波束類似(如圖2所示)，通過發射換能器沿航跡方向以一定頻率向水底發射寬扇區波束，形成一個扇形聲傳播區，利用接收換能器對聲波進行窄波束接收，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對水底地形區域的照射腳印，進行相關處理后，每次探測能夠得到與航線垂直的垂面內上百個甚至更多水下地形點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內水下目標的大小、形狀和高低變化，真實可靠地描繪出水下地形的三維特征。與姿態數據和導航定位數據相結合，繪制出高精度、高分辨的測繪數字成果[12-13]。無人船多波束測深系統作業流程如圖3所示。

圖2 多波束的工作原理示意

圖3 無人船多波束測深系統的作業流程示意

3 應用實例

3.1 河道概況

河道治理對于維護河道安全是非常重要的，其中，北江大堤西南段河道是廣東省佛山市三水區主要行洪排澇通道，也是重要海運通道。河床起伏曲折，河道中間深，兩邊淺，最大水深約22 m，上游到下游全長約5.5 km。該河段因常年受洪水沖刷影響，需要對其河道水下進行拋石管理維護。本文采用集成化華微6號無人船搭載Norbit多波束測深系統開展拋石前后水底地形測量工作，從數據獲取、數據處理、成果輸出和效果評定等方面進行闡述，證明該系統能夠獲取高精度、高分辨率的數據，為河道治理提供真實可靠精細的基礎數據。

3.2 實施過程

3.2.1設備安裝

華微6號無人船和Norbit多波束是高度集成化的，除首次安裝相對較復雜一點，以后每次測量的設備組裝都非常便捷，無需重復安裝。組裝主要包括多波束探頭安裝，甲板單元安裝和數據線連接，船體安裝，即浮體和電池安裝。其中，Norbit多波束安裝在船體的底部中心位置，華微6號無人船已經集成安裝了GNSS數據接收天線，甲板單元和電腦等設備，以及相關的數據線連接。

3.2.2測線布設

河道環境較為復雜，過往船只較多，河床起伏也比較曲折，為保證測量安全性和數據重疊性的情況，不考慮布設測線自動測量，而是通過導入測量范圍線，采用遙控手動控制無人船多波束在范圍線內沿著河道方向測量，以多波束開角120°，往返掃測，河道岸邊等斜坡測量區域，調整開角為140°，波束旋轉5°～10°。這種靈活設置測線的方式，既能保證設備安全性，又能有效確保數據的重疊度和無遺漏測量。

3.2.3數據采集

1)配套軟件連接

系統設備安裝完成后，連接系統配套的GUI控制軟件、船控軟件和數據采集軟件Qinsy，進行新建項目、設置參數、連接相關接口等相關準備工作。

2)姿態校準

首次在新的河道區域中測量時，需要進行無人船多波束的姿態校準，俗稱“跑8字”，通過軟件對換能器安放位置相對于船體重心位置進行姿態校準，以確保測量數據的精確性。

3)測前和測深檢查

測量之前使用RTK進行定位和高程檢查，檢查結果為平面較差0.03 m，高程較差0.02 m，符合規范要求。水深檢查，測得水深讀數較差為-0.04 m，符合規范要求(水深在0～10 m內較差應不大于±0.15 m，水深在10～20 m內較差應不大于±0.2 m)。

4)聲速改正

聲速是影響數據精度的因素之一，聲波在水中傳播過程中會受到溫度、壓力、鹽度的影響，從而導致其傳播速度和方向發生改變，聲速隨著深度的增加逐層發生變化，會直接影響回波點計算的準確性。因此，在進行水下測深時需要使用聲速剖面儀進行人工測量獲取數據，通過軟件處理完成聲速改正。

5)現場測量

多波束測深系統工作準備完成后，除姿態校準外，對其他儀器設備進行檢查調試，通過測深系統控制軟件，觀察運行狀態、信號接受質量等情況，確定系統一切正常后即可開展水下測量作業。掃測時，手動遙控保持船速穩定，對照系統測深顯示軟件和數據采集軟件，完成設備的數據采集工作。

3.2.4數據處理

多波束獲取的數據通過配套專業軟件Qimera進行處理，主要分為兩部分：預處理和去噪處理。預處理比較簡單，主要是聲速改正和偏移改正等。而數據去噪是相對比較復雜的，有自動濾波和手動處理兩種方法。自動濾波采用數學算法處理方式，通過軟件設定各項合理的參數刪除大部分噪點和錯誤點，效率非常高；手動處理采用人機交互界面，通過截取動態表截面手動刪除噪點，直觀性較強，可靠性較高，但效率較低，與操作者能力、經驗有關，具有一定的主觀性。兩種方法相結合可以更加有效去除噪點，得到準確可靠的點云數據。此次采用兩種去噪處理相結合的方式進行。

3.3 水下拋石效果評價

軟件處理后的最終成果是三維點云數據，不論是在較為平坦的區域，還是在洼地起伏區域，測線之間重疊部分測量數據吻合非常好，沒有出現明顯錯開地形，對比較差在10 cm以內，因此表明集成化無人船多波束測深系統測量成果具有非常高的測量內符合精度。下面分別從3個方面對水下拋石效果進行分析和評價。

1)動態表面對比分析

獲取的拋石前后水下測量數據在處理軟件中分別建立動態表面進行對比(如圖4所示)，從動態表面可以直觀看出，拋石前表面整體比較平滑，拋石后表面增加了許多細小顆粒即拋石對象，表面整體的粗糙程度發生了很明顯的變化。

a 拋石前

2)點云對比分析

根據軟件處理后的拋石前后水下三維點云數據顯示效果進行對比(如圖5所示)，能夠更加直觀地看出，拋石前平滑、平坦的地形，經過拋石后變得凹凸起伏；此外也可以大概知道拋石的位置以及凸起的拋石量。

a 拋石前

3)疊加圖對比分析

利用ArcGIS軟件對拋石前后兩期的水下點云數據分別構建DEM，并進行相減，得到拋石前后的沖淤變化圖(如圖6所示)，紅色和黃色表示淤積程度的深淺(即拋石區域)，深綠色表示輕微的沖刷或無明顯變化，可直觀看出拋石的準確度，超拋欠拋的情況。此外，相比較于傳統斷面法計算拋石量，ArcGIS根據多波束獲取的拋石前后點云數據得到的拋石工程量更加準確、可靠，不僅可以為現場提供后續拋石決策提供輔助，還能夠評定拋石工程的施工質量。

圖6 拋石前后DEM對比示意

4 結語

隨著科學信息技術的快速發展，行業對測繪數據的質量要求也越來越高，而無人船多波束測深系統可以獲取高密度、高分辨率、覆蓋范圍廣的水下地形數據，很好地提高了效率。在拋石工程項目中，能夠科學、真實地反映拋石前后測量區域河床的水下三維一體化現狀，為相關河道沖刷研究、河道治理等工作提供可靠依據。此外，該技術也廣泛應用于河道地形測量等工程項目中。但大量的點云數據也帶來了挑戰，例如，如何更加高效地處理數據，如果更直觀準確地表達分析成果，這將是接下來要重點研究的問題。