多波束測深系統在水下地形測量中的應用

裴學軍，周迎奎，高 潔

（利津縣水利局，山東 利津 257400）

水下地形測量是工程測量中的一種特定測量，主要是測量江河、湖泊、水庫、港灣和近海水底點的平面位置和高程，用以繪制水下地形圖的測繪工作。傳統的水下地形測量方法（如測深桿法、測深錘法、回聲測深儀法等）只能簡單地獲取水深信息，對于河底的地形信息卻無能為力；聲吶系統和單波束測深系統一定程度上解決了水下地形的測量問題，但是在測量效率和測量精度上已經無法滿足測量要求。多波束測深系統的發展很大程度上解決了水下地形測量的精度和效率問題，可以在較短的時間內獲取某水域詳細準確地地形信息，是一種高精度、高效率的測量方法。

1　基本原理

多波束測深系統能夠有效探測水下地形，得到高精度的三維地形圖。多波束測深系統的工作原理是利用發射換能器陣列向水底發射寬扇區覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列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的照射腳印，對這些腳印進行恰當的處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內上百個甚至更多的水底被測點的水深值，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，比較可靠地描繪出水底地形的三維特征。

2　應用實例

使用國產MS-400淺水多波束測深系統對黃河下游某水域進行實地探測，并使用專業的數據后處理軟件對測量數據進行建模與顯色處理。

2.1　技術要求

1）平面控制：水域平面坐標采用WGS84坐標系，120°標準三度帶投影。

2）高程及水深基準：采用作業時段水位作為高程基準面。

2.2　系統組成

MS-400淺水多波束測深系統由換能器探頭、聲吶甲板單元、換能器電纜、筆記本電腦及系統軟件等部分組成。換能器探頭內部集成衛星/慣性組合導航系統，可提供高精度GNSS定位、艏向和三維姿態數據輸出。聲納接口單元通過千兆以太網接口與主控電腦連接，實現數據傳輸。

2.3　主要儀器及軟件配置

1）MS-400淺水多波束測深儀。MS-400高頻淺水多波束測深儀主要面向內河、港口、航道、海岸線等淺水領域應用，擁有便攜式、高分辨率和高性能等特點，可將操作人員的現場工作減少到最小。內置姿態儀，將聲學基陣與姿態測量集成于一體，免去了測量時安裝校準的繁瑣過程，同時也兼容外部高精度姿態儀。

2）SVS1500表面聲速儀。SVS1500系列高精度表面聲速測量儀采用了目前最好的“時間飛躍”技術進行聲速測量，并結合先進的數字信號處理技術，將聲速的測量精度達到0.05 m/s的世界主流水平。其主要技術指標：聲速測量范圍為1 400~1 600 m/s（擴展范圍可定制）；聲速測量分辨率為0.001 m/s；聲速測量精度為±0.03 m/s（反射面距離50 mm）；聲頻率為2 MHz；采樣速率（數據率）為最大30 Hz；溫度傳感器類型為PT1000鉑電阻溫度傳感器；溫度測量分辨率為0.001℃；溫度測量精度為±0.05℃。

3）數據采集軟件和導航軟件。HydroQuest數據采集軟件基于VS2010開發平臺開發，數據接口采用TCP/IP傳輸協議，軟件主要包括用戶工程文件管理，數據采集、解析、存儲、繪圖顯示，用戶與系統工作參數實時控制，采集數據回放控制四大功能模塊。

HydroNavi水上導航軟件是一款為海洋測繪、河道測量提供導航服務軟件。為海底地形測繪，河道地形測繪，水下工程施工等應用提供完善的解決方案。

4）數據后處理軟件。Hypack軟件的測量模塊具有設置靈活，支持硬件多的特點；能向用戶提供高質量的定位和測深數據，同時提供了強大的內業編輯、繪圖和土方測量計算功能。軟件從大地測量轉換、測量設計、數據采集、數據后處理直到最終測量成圖都實現了快速可靠，強大的繪圖引擎能夠以當前所有格式的圖件作為背景文件來實現測線建立和實時數據采集。

2.4　數據采集與處理

1）儀器安裝。為實現對兩岸邊坡的全測量，多波束探頭采用傾斜安裝的方式固定于測量船右側。通過可調節安裝角度的轉接法蘭，實現多波束探頭向右側傾斜35°。

2）數據采集及處理。采用專業多波束數據處理軟件Hypack進行數據處理。數據處理流程主要包括：位置安裝偏差修正、聲速剖面改正、水位改正、剔除錯誤“飛點”、TIN模型生成、數據合并、數據抽稀、輸出等過程。

2.5　試驗結論

此次試驗取得了較好的試驗結果，所獲取的水底地形數據可以真實的再現水下的地形信息，并且具有高精度、高效率的優點，可以廣泛應用于江河、水庫、湖泊、海洋水下地形的測量。