基于多波束測深技術及監測平臺在水生態建設中的研究

黎富忠

（廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院有限責任公司，廣西南寧 530023）

0.概述

現隨著科學技術的發展，水下測深技術逐漸成熟。水下測深主要應用于河流、湖泊、水庫、海岸、港灣等水域水下深度測量與水下地形測繪。測深儀器由以前的單波束測深系統轉為多波束測深系統。多波束測深是水聲技術、計算機技術、導航定位技術和數字化傳感器技術等多種技術的高度集成。多波束測深系統是一種可以同時獲得船下方垂直主向的波束，及多個相鄰窄波束的回聲測深系統。與傳統的單波束測深系統每次測量只能獲得船垂直下方一個測量深度值相比，多波束探測能獲得一條帶覆蓋區域內多個測量點的深度值，實現了從“點至線”測量到“線至面”測量的跨越，通過對數據的深入研究，可通過數據濾波、壓縮提取等技術的數據處理，提取水下地面點云數據，可構建水下DEM地形，構建水下三維圖形。具有橫向覆蓋范圍大，波束窄，測量速度快、精度和效率高等優點，適用于重點區域、大面積區域的高精度測量，也可以用于精確測定航行障礙物的位置、深度的測量。

1.研究內容

利用多波速測深技術在水生態建設中快速準確采集水下地形數據，通過研究點云數據濾波等后處理的方法，分析數據類型，研究快速、可靠的數據濾波方法[1]，濾掉水下水中飄浮物、干擾物，提取水下地面數據，建立高精度的數字高程DEM和三維模型，可大幅提高水下地形測量的精度，大幅提高水下測量工作效率，快速構建水下三維模型。同時，研究開發監測系統平臺實現對水下地形進行周期監測，對各周期的水下三維模型數據進行分析對比，統計水下地形變化量，并把水下三維地形模型與地面實景三維模型相結合，在該平臺上可顯示水上、水下全三維信息，可查看地形演變等，可監視水下地物地貌的細微變化等。該技術在堤防安全、潰口、崩岸監測及水下裂縫、物體打撈、采砂規劃治理、水下工程施工監測、水底大壩結構等方面具有其他方法不可替代的重要作用，為項目信息化提供更豐富更立體的三維成果，為項目設計提供更科學依據，為水環境治理、水生態建設、河道演變研究、堤圍突發事件處置的應急監測、水庫信息化管理等提供基礎數據和技術支撐。

2.數據采集處理及平臺建設

因多波束是現代信號處理技術、高性能計算機技術、高分辨顯示技術、高精度導航定位技術、數字化傳感器技術及其他相關高新技術等多種技術的高度集成，我們從外業測量儀器的安裝觀測、操作等測量過程始都進行嚴格控制，以確保數據的高精度采集、濾波提取及變化量的分析。主要研究多波速測深系統的各參數校正，對影響到測深的定位時延、橫搖偏差、縱搖偏差和航向偏差進行測定與校準。經過校準，其綜合測深誤差滿足限差要求后，還應在水深大于或等于測區內的最大水深、水下地形平坦的水域采用單波束測深儀（測深精度已校準且優于規定精度）對系統進行水深精度比對，水深比對不符值的點數不應超過參加總比對點數的15%，比對不符值的限差按式計算或查多波束水深測量主、檢比對極限誤差圖。數據處理之前，應先檢查數據處理軟件中設置的投影參數、橢球體參數、坐標轉換參數、各傳感器的位置偏移量、系統校準參數等相關數據的準確性。數據處理時，應結合多波束測深系統外業測量記錄，根據需要對水深數據進行聲速改正、水位改正。應對每條測深線的定位數據、羅經數據、姿態數據和水深數據分別進行編輯。水深數據編輯時，應根據水底地形、各波束測得的水深數據的質量選擇合理的參數濾波，然后進行人機交互處理。對于無法判斷的點，應從作業水域、回波個數、信號質量等方面進行分析。數據經過編輯及各項改正后，再次對所有的水深數據進行綜合檢查，根據各水深的傳播誤差及附近的水深利用表面模型進行評估，剔除不合理水深數據，通過精度檢測，測量精度符合相關規范要求，然后用于后期的監測系統平臺分析。

基于多波束測深技術測量水深，并把各周期采集及處理后的數據創建數據庫，基于B/S架構開發監測系統平臺加以導入分析、統計、監測演變及管理應用等[2]，融合各種數據源進行疊加多樣化顯示，實現監測記錄資料、監測成果等信息入庫,實現數據查詢、分析、出圖等功能。B/S是Web興起后的一種網絡結構模式，這種模式統一了客戶端，基于表現層、邏輯層、數據層三層架構,將系統功能實現的核心部分集中到服務器上，簡化了系統的開發、維護和使用。客戶機上只要安裝一個瀏覽器，即可實現多客戶訪問、操作計算的目的，簡化客戶端電腦載荷，減輕了系統維護與升級的成本和工作量。

3.技術路線及效果

根據研究目標制定了以下工作流程及技術路線（如圖1），經過外業測繪人員多周期的現場測量采集數據對比，相對于單波束測深儀，多波束測量數據點密，能夠更精確地測出水下目標物的大小、形狀和高低變化，繪制的等深線更詳細，也更真實地反映地形地貌特征。

圖1 技術路線圖

同時研究開發監測管理平臺，實現Web端多用戶訪問、外業測繪數據入庫、多周期數據對比、各周期水位變化、三維動畫等功能，如圖2。

圖2 監測管理平臺主界面圖

4.結語

通過對多波束測深技術的研究，顯著提高了工作效率，測深數據準確可靠，水深數據在系統中自動生成水下地形圖、DEM、三維模型等，通過融合岸上實景三維模型等多數據源，建立工程可視化三維平臺，通過各周期的監測數據對比，以三維動畫方式演示歷史變遷效果，同時分析、計算、統計變化量，實現水流和泥沙模型三維可視化，通過對河流、水庫等多周期的監測，進一步加強水利規劃環評、水利綜合執法、泥沙治理、邊坡穩定分析、提升水利生態環境，為水生態建設提供決策依據。監測平臺將根據需要拓展、優化完善各功能，為水利信息化建設添磚加瓦。