MS400多波束測深儀在正峽段治理工程測量中應用

張效鋒

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230000)

安徽省淮河干流正峽段行洪區建設與調整工程項目位于淮河中游淮南市境內，項目涉及淮南市壽縣、毛集試驗區和鳳臺縣，總投資62.1億元。項目建設內容較多，其中有25km淮河干流河道疏浚，規劃疏浚規模為：底寬330m，底高程12.0m～10.0m，邊坡1∶4，疏浚后能夠極大提高該段河道泄洪能力。疏浚計量采用斷面法，為防止施工圖階段與初設階段河道疏浚土方量產生較大誤差，2018年10月中旬，采用GPS RTK配合MS400多波束測深儀對初設的245條(間距約100m)河道斷面進行復核測量。

1 MS400多波束在水下地形測量中的應用

MS400多波束測深儀是該設備在項目中的首次應用，為了保證產品質量，首先選了觀測條件較好的7km河段作為測試段，并采用兩種測量手段對儀器的可靠性進行校核。

1.1 不同行駛方向進行對比

采用兩種不同的航行方向，通過重合點進行校核。測量船沿河道等深線方向行駛，即順水流方向，該方向根據水深和開角(120°)對航線進行設計，使河床能夠全覆蓋掃描測量。

測量船垂直等深線方向行駛，即垂直河道方向。該方向沿原斷面方向行駛，原斷面位置通過生成.dxf文件，導入電腦，由導航軟件HydroNavi進行航線控制，航線設置涵蓋該段原70條河道斷面。

1.2 不同的儀器設備進行對比

采用多波束與單波束HD-360進行數據對比，該段河道245條斷面均采用MS400多波束和HD-360單波束同步方式進行測量。

2 應用結果分析

2.1 內業數據處理

MS400多波束數據后處理采用海測大師軟件，多波束的數據處理就是刪除噪點的過程，采用自動濾波與人工處理相結合方法進行，剔除少量的異常數據，通過各種數據處理后，能夠得到形式多樣的數據形式——水下點的三維坐標、等深線圖、水下DTM模型、水深數據三維點云視圖，具體模型如圖1、圖2所示,能夠滿足不同用戶的設計需求。

圖1 局部水下DTM模型

圖2 局部水深數據三維點云視圖

2.2 MS400多波束測深儀不同航向重合點的比較

表1 多波束不同航向重合點高程比較

通過MS400多波束測深儀兩種測量方法得到水下點的三維坐標，生成.dat文件，在南方CASS成圖軟件中展點得到圖形文件，在圖形文件中可直觀的看到重合點，我們隨機抽取部分不同航向且開角邊緣數據進行比較得出如下結論：①兩種測量方式所取得最終成果能夠吻合，均比較可靠，高程差值主要集中在0.1m左右。②多波束開角邊緣的極少部分高程點差值達到0.2m，其平均差值為0.08m。抽取部分重合點比較如表1所列。

2.3 MS400多波束測深儀與單波束HD-360測深儀數據的比較

在使用多波束進行外業數據采集的過程中，把單波束測深儀固定在測量船的后部同時進行數據采集，按間距2m設置采點樣式。由于單波束測深儀采集的數據是逐點采集，而多波束數據是點云數據，為了方便比較兩者之間的差異值，采用斷面圖的方式進行比較，斷面圖比較如圖3所示，圖中生成的斷面圖橫向比例尺1∶4000， 縱向比例尺1∶200，從生成的斷面圖中能夠直觀地看出斷面圖的形狀能夠吻合，差值多數集中在0.2m～0.4m之間，并且有很強的規律性，即單波束比多波束測得水深較大，即高程數值小些，而且水深越深、坡度越大高程值相差越大，產生的原因與實際情況相符，經分析認為最主要還是單波束未進行傾斜改正，尤其當坡降、水深同時較大時，儀器安裝傾斜導致水下地面點和RTK水上采集點位置偏心較大，從而影響水下點的精度，設備安裝傾斜是單波束產生誤差的主要因素。

圖3 多波束、單波束水下部分斷面圖比較

《水利水電工程測量規范》SL197-2013是水利水電工程測量中執行的主要技術規范，規范規定地形圖圖幅等高線允許中誤差平地為±h/3，基本等高距取0.5m，水下地形可放寬2倍，中誤差達0.33m。 對于多波束測深儀完全能夠滿足規范要求，但對于單波束測深儀施測的水深，本項目隨機選取了近200點進行中誤差計算，Mh=0.31m，同樣能夠滿足水下測量精度要求，因篇幅有限，省略了計算過程。對于單波束水下測量等深線中誤差接近臨界值，應引起高度重視。

2.4 多波束測深系統誤差分析

(1) 多波束測距精度。測距精度對測深的精度產生直接影響，一般來說，頻率越高，測距精度越高，但測程相對就會縮短，反之亦然。項目實施時可根據水深來設置相應的頻率，盡量提高測距精度，常規深度經驗值為2Hz。

(2) 傳播介質的影響。為減弱或消除傳播介質的影響，廠家都配有聲速剖面儀，對于深水區首先應進行聲速測量，然后根據測量的聲速剖面在后處理時進行參數設置，從而達到提高測量精度的目的。

(3) 運動傳感器及羅經精度的影響。MS400多波束測深儀優勢在于內置高精度的姿態儀，通過多條航線計算出安裝校準參數，從而減少繁瑣的校準過程。在數據后處理時進行參數設置，能夠削弱或消除橫偏、縱偏、艏偏等因素的影響。

(4) 延時誤差影響。《水利水電工程測量規范》SL197-2013對大比例地形圖測深定位點中誤差設定為圖上1.5mm，對應1∶1000～1∶2000地形圖，實地距離為1.5m～3.0m，RTK平均延時約0.5s，換算時速為3m/s～6m/s，實際作業中船速一般應控制在3m/s以內，當變坡較大時應適當減速可減少延時帶來的誤差。

(5) 其他影響因素。多波束除了上述影響因素外，還有噪音、震動、水位觀測、數據處理軟件等，這些因素有偶然性，靠長期實踐，不斷積累經驗來加以削弱。

3 結束語

在淮河干流正峽段行洪區建設與調整工程中，用MS400多波束采用不同航向測深數據成果和不同儀器測深數據成果進行對照，摸索出一套可行的方案，為單位后期相關項目提供有力支撐。同時多波束比單波束有顯著的優越性，測量過程中多波束更容易控制，測量成果更加穩定可靠，生產效率明顯提高，產品形式多樣。同時隨著BIM設計技術的普及，計算土方量、水庫庫容等方面能夠充分利用水下、水上地表模型，比傳統的斷面計算法，精度將提高1個數量級。