利用多波束測深儀及無人船等測量白石水庫

□ 裴洪超

（遼寧省基礎測繪院，遼寧 錦州 121003）

0.引言

遼寧省大中型水庫，經過多年的運行，庫區的地形、地貌都發生了很大變化，特別是水庫多年的淤積，對庫盆形態及庫容均產生了重大影響。為了摸清水庫現狀的淤積量和庫容參數，為水庫的科學管理和調度提供重要依據，在“十三五”期間按照制定的規劃需要對水庫水下地形進行系統而全面的測量。白石水庫1∶2000水下地形測量項目，通過采集內陸水域水下地形數據，并與已有陸地部分地形數據進行拼接，獲取陸地與水域完整的地形數據，為環保、水利、漁業、交通等部門提供更豐富的水系地理信息，為相關部門開展水庫管理、飲用水調度、防洪減災、河道清淤等工作提供有力的數據支持，促進遼寧省水資源保護和利用。

1.白石水庫測區特點

白石水庫位于遼寧省朝陽市境內大凌河干流上，控制流域面積17649Km2。水庫總庫容1.645×109m3，其中防洪庫容 3.89×108m3，多年平均年調節水量5.28×108m3，現已成為朝陽、錦州、阜新三大城市居民飲用水的重要水源地。地理位置位于中緯度地帶，屬于溫帶季風氣候，年平均氣溫6.2～9.7℃。全年降水量509mm左右，全年無霜期153天左右。受季風影響，降水集中在夏季，溫差較大，四季分明。

我們對水庫進行了詳細地踏勘，以便更好地開展測量工作。白石水庫形狀為南北方向狹長，常年受季風影響較大，是全省水庫中風力最大、最多的水庫，在正常情況下每天都是中午開始起風變大，只有半夜到上午風力較小的一段時間適合工作。風浪太大，對船的行駛造成的危險是非常大。

水庫中下游依山而建，兩側溝溝岔岔很多，大多都是窄長的形狀，不利于大船在里面掉頭行駛；下游部分地方是漁業公司水產養殖和捕撈的區域，漁網較多，漁網若看不見，很容易被絞到掛機上，造成熄火；水庫上游和中游兩側淺水區域各有一片地形復雜的厡移民拆遷區域，水底留有居民區遺址，船只不能靠近。

針對踏勘報告反映的測區實際情況，對不同的地形特點采用單波束、多波束和無人船聯合作業的模式，以達到更好完成任務的目的。

2.多波束測深儀的應用

2.1 多波束測深系統工作原理

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。其工作原理圖（如圖1所示）。

多波束測深系統是利用發射換能器陣列向海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海底被測點的水深值，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，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。

多波束測深系統具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優點，它把測深技術從點、線擴展到面，并進一步發展到立體測深和自動成圖，特別適合進行大面積的水底地形探測。

2.2 測區采用儀器及工作實施

白石水庫的上游平均水深2m，下游平均水深20m，能夠滿足船的安全行駛區域，占整個水庫面積的75%，決定我們利用多波束測深儀進行水下地形測量。

圖1 多波束測深儀工作原理

我們采用的是最新購置的IMAGENEX DT101多波束測深儀，它是一款將發射換能器、接受換能器、姿態傳感器、表面聲速儀集成在一起的設備。結構緊湊，僅需要外接雙天線GNSS接收機即可快速安裝進行測量。

圖2 IMAGENEX DT101多波束測深儀

按設計要求采用水下全覆蓋測量，測線方向平行于水流方向，測線間距依據水深而定。門限開角選用120度，測線的條帶寬度是水深的3.5倍，航線重疊覆蓋率為15%-30%。

由于不同流域，不同水質對聲速傳播產生影響不同，因此根據水庫分布情況，在水庫上游、中游和下游分別進行聲拋數據采集，在軟件中加入聲速改正值對數據進行聲速改正，提高水深數據測量精度。采用AML Micro.X SVP水下聲速剖面儀，對測量的水下聲速數據進行改正。

2.3 問題及處理方法

2.3.1 對邊緣波束異常的處理

現象：多波束數據條帶編輯器里顯示邊緣波束發散或子區編輯里顯示邊緣波束發散。這種異常引起的子區編輯時，相鄰線符合差；子區移動時，同測線前向視圖中，水深有快速左右搖的現象。

產生原因：多波束探頭安裝不牢固；姿態傳感器安裝位置不穩定；各設備數據間沒有精確的時間同步。

處理方法：改善探頭安裝情況，加固，下方增加支點等；選擇合適的姿態傳感器安裝位置，安裝牢固，測量時避免船的共振；檢查時間同步設置，連接線，GPS設置等。時延為常數時可用前面的方法處理。

2.3.2 波束彎曲的處理

現象：進行聲速改正后，在HIPS線編輯模式下，波束的前向視圖中波束彎曲較大。引起的問題是相鄰測線水深不符合，呈現交叉狀。

產生原因：多波束換能器表面聲速錯誤；聲速剖面測量值不正確；測區聲速變化大。

處理方法：在線模式中，進行聲速折射改正。

經過我們的努力，合理利用船只，根據天氣情況規避了風大的時間段，保證船只在安全的環境下工作，按設計的航線控制好測量范圍，很好地完成了預定的測區面積。

3.單波束測深儀的應用

3.1 單波束測深系統工作原理

單波束測深系統回聲儀每次只能發射一束聲波，只能得到一個水深數據點。在測量一個區域的水下地形，須先根據出圖比例和規范要求，預先確定測點和測線的間距，再用水文船逐點進行測量，以此畫出地形等高線圖。

3.2 測區采用儀器及工作實施

針對白石水庫水深范圍0.8m-2m的區域以及水庫兩岸溝溝岔岔的區域，由于大船駛入及多波束測深儀不能正常展開，因此我們采用HD360單波束測深系統對這片區域進行水下地形測量。

單波束測深儀安裝在裝有掛機的橡皮艇上。對于橡皮艇則先充滿氣，使其膨脹起來，然后用配件進行固定儀器設備，我們上船連接各線，將GPS、測深儀顯示器打開，進行測深儀處理軟件設置，完成測區范圍的測線布設控制。

3.3 問題及處理方法

問題：受魚網、水草的影響，魚網若看不見，很容易被絞到掛機上，造成熄火，水草造成測深儀多次回波。

處理方法：在橡皮艇上坐三人，其中一人做最前面，時刻觀察水里是否存在魚網；對于水草造成回波干擾，由另一工作人員進行調檔，往大調，待顯示清晰為止。

經過我們的努力，合理利用船只，按設計的航線控制好測量范圍，很好地完成了整個水庫面積16%的測區范圍，解決了多波束測深儀不能展開利用的問題，高質量完成了任務。

4.無人測量船的應用

4.1 測區采用儀器及工作實施

圖3 中海達iBoat BM1無人測量船

白石水庫設計測量的區域0m至0.8m水深范圍的區域有9%，由于該區域大都是淺灘，還有兩處移民拆遷區域，行船危險也會對單波束測深儀造成損壞，因此采用中海達iBoatBM1無人測量船。無人測量船很好地解決了在白石水庫平穩淺水區域，使用RTK直接測量水下三維坐標，效率太低；地質崩塌區域測量，危險性很大；居民拆遷區域水下地形復雜等問題，提高了工作效率。利用架設基準站，使用操控軟件控制無人船按設計的路線行駛，采集了淺灘區域及危險地形區域的數據，快速高效地完成了最后整個區域的測繪任務。

4.2 問題及處理方法

現象：測深模擬信號跳點較多，無法處理。

處理方法：若跳點數據出現在主測線中心位置，對此部分進行補測；若出現在岸邊位置，此時船停止不動，測深未停止記錄，將跳點部分直接刪除。

5.結束語

白石水庫由于復雜的地形環境，決定了單一的作業模式不能完全有效展開。單波束測深儀、多波束測深儀及無人測量船的聯合作業模式全面解決了白石水庫地域、地形特點的問題，設計區域的水下地形圖測量全部能夠在規定的時間內高質量的完成，獲取了水體覆蓋下高精度的1∶2000水底地形圖，能夠為漁業捕撈、水產養殖、水利設施建設、水庫資源開發等提供基礎數據和圖件。