川江航道多波束测量技术研究

汪剑桥

摘 要：本文基于笔者多年从事航道测量的相关工作经验，以SEABAT8101多波束测深系统在川江航道测量中的应用为研究对象，论文首先分析了多波束测量的优势，进而探讨了多波束测深系统安装测试方法，定位导航实施方法，及测量步骤与数据处理思路，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：多波束测深系统 航道 数据处理 导航

中图分类号：U612 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0040-02

多波束测深系统以其全覆盖、无遗漏的测量方式，能完成全覆盖水深测量、航行障碍物探测，在效率、精度、分辨率与水下地形成图质量上有了大幅度提高，整个系统从外业到内业全过程真正实现了自动化、智能化和数字化，彻底改变了传统的水下测量技术，具有广阔的应用前景。

1 多波束测量的优势

与单波束相比，多波束具有无可比拟的先进性。主要体现在：（1）测量以带状方式进行，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100%覆盖，与单波束比较，波束角窄，对细微地形的变化都能完全反映出来，单波束是点、线的反映，而多波束则是面上的整体反映。（2）多波束测深系统的测量成果更真实可靠。由于是全覆盖，其大量的水深点数据使等值线生成真实可靠，而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线，在数据采集不够时，使得等值线存在一定偏差。（3）多波束测深系统同步记录船体姿态信息，起伏、纵摇、横摇、船向等，由专用后处理软件对测量结果进行校正后，可使测量结果受外界不利因素影响减少到最低限度。（4）多波束测深系统能对测量资料进行多种成图处理，可生成等值线图、三维立体图、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等。（5）多波束测深系统可对同一测区生成不同比例尺的水下地形图，以满足不同的需要。

随着长江数字航道、智能航道的建设，电子航道图的更新需求，对航道测量的需求也提出了实现全过程自动化、智能化和数字化的要求。目前长江航道测绘部门需要完成以下测绘任务：（1）数字航道建设，电子航道图测绘；（2）水下航道整治建筑物的监测和水毁情况的探测；（3）搜寻水下物体，如沉船位置探测，疏浚作业可疑物排除；（4）清淤施工区水下地貌信息采集；（5）用于航道科研目的的水文测量、水深调查；（6）航路改革、新辟航道的扫测等。

测量技术的提高，关键在配置先进的测量设备。鉴于多波束测深系统是目前国内外水上测量最先进的测量设备，对数字航道和智能航道建设具有重要的推进作用。因此，在长江沿线各航道测绘单位合理配备多波束测深系统，用于电子航道图数据的更新、数字航道建设，适应长江航道建设发展、航道维护管理的需要是十分必要的。

2 工程概况

宜宾合江门（长江上游航道里程1044.0 km）至宜昌港务集团办公大楼（原九码头长江上游航道里程0.0 km，中游里程626.0 km）为上游航道，习称川江，长1044.0 km，属山区河流，多为石质河床，天然状态下，航道弯曲狭窄，滩多流急，流态紊乱，三峡工程蓄水后，部分河段航道条件得到改善。目前，宜宾合江门至江津红花碛为山区天然航道；江津红花碛至重庆丰都为山区变动回水区航道；重庆丰都至三峡大坝为山区常年库区航道。三峡成库后，为了进一步充分利用蓄水期和天然航道水深资源，分析航道淤变情况，为航道设计、决策提供第一手测绘资料。

3 多波束测深系统安装测试

本工程中投入丹麦RESON 7125多波束系统进行测量实施。该系统在引进后就一直都是安装在固定的测量船的固定位置上，所以系统进行使用都是整体工作的。

多波束测深系统的各部分，按设计位置进行安装，SF3050接收机天线，多束换能器、运动传感器（DMS-05）、电罗经等相对船体坐标系原点的位置关系。量测各传感器相对船体坐标原点的偏移量，以便在数据处理进行相应的改正。

3.1 电罗经传感器的安装

电罗经的安装位置有着严格的要求，电罗经传感器应安装在船舶中心附近，电罗经指示方向应与船首方向一致，并且要求在船体坐标系的水平面内。安装位置应远离导磁物质或易被磁化的物质；电罗经与较大的铁性物体、强电流的电线及电池组至少保持1.3～1.5 m的距离；一些电子设备（如计算机、电视显示器、雷达磁控管、扩音器、UPS不间断电源装置等）的使用会影响电罗经的正常工作，使其测出的方向数据失真或干忧，应远离它们。

3.2 运动传感器的安装

OCTANS光纤罗经和运动传感器（法国iXSEA公司）OCTANS集罗经、运动传感器于一体，运动传感器应固定安装，并尽可能与水平面平行；运动传感器离船舶重心的越远，船舶纵横倾幅度越大，产生的测量误差也越大，所以安装位置应在船舶的重心或尽可能靠近重心；运动传感器的安装具有方向性，其罩壳上的指示方向应与船艏方向一致，否则将产生反向改正，造成严重误差。

3.3 多波束换能器的安装

多波束换能器的安装主要取决于船型和船的结构。同时还应考虑多波束测深系统使用的水域，如在内河测量，因受风浪的程度较小，可以安装在船首，而在潮汐河口或近海水域，因受风浪的程度较大，宜采用船底固定安装。安装时要注意固定好，以免测量换能器产生抖动，下沉。此外，还考虑换能器的安全性，以免在靠离码头碰撞损坏，建议安装的换能器，还具有可拆卸或可移动的功能。

3.4 星站差分SF3050接收机天线的安装

SF3050接收机天线应安装在船舶高处（低于避雷针），视场内障碍物的高度角不能超过10°；尽可能远离船舶主桅杆；尽量远离大功率的无线电发射信号源（如雷达、高频电话天线等）；天线安装要稳固，避免船舶姿态变化使其产生位移；天线位置应选择远离船体大型金属物体结构，距甲板高度至少在1.5 m以上，减少信号多路径效应。系统安装后，应进行测试，测试可分为通电测试和航行测试。通电测试：在静态状态下进行，检查系统各部分电缆连接是否良好牢靠，正确无误；检查接地是否正确，牢靠；检查供电电源输出电压是否正常，直流供电的极性是否正确无误，一切正常后，开始目测系统各部分的通电运行状况、信号的稳定性和数据的通信情況。航行测试：要选择适宜水域设测多条往返重复测线进行横倾、纵倾、定位延迟、电罗经偏差等系统参数改正。此外，在测试过程中还要检查、测试DGPS接收机、声速剖面仪、电罗径等是否工作正常。

目前，上述各测试项目不仅仅是安装测试的要求，而且已列为每个航次或承接新测量项目之前，必须要做的工作。

（1）电罗经的测试与校准。

电罗经安装后，电罗经指向与船舶指向可能存在偏差，这个偏差叫航偏差，因为多波束测深系统发射的扇形声波束接收阵列的排列与船艏是相互垂直的，如果电罗经的指向与船首航向不一致，将影响换能器阵列的发射，接收角度，导致覆盖宽度减少，降低工作效率。更重要的是，这将导致除中央波束外的所有波束定位错误，离中央波束越远，误差越大，从而导致测量数据的错误。为此，需要对电罗经进行测试与校准。电罗经测试有三种方法，一是，为可在船舶停靠码头时进行，使用经纬仪精确确定船艏向，并与电罗经的指向进行对比，确定电罗经的校正值。二是，可选择开阔的水域进行，其方法是測量船按200 m直径的圆周运动，连续航行4周，采用专门软件进行数据采集、分析处理，获得校准值。三是，利用水域中的突出标志物，先在这标志物的一侧作直线航行，用右舷边缘波束测量标志物，得到一个文件；然后，在标志物的另一侧作反向直线航行，同样用右舷边缘波束测量标志物，得到另一个文件（这两条测线平行且与标志物的距离相等）。第一次航行时，由于存在电罗经误差的航偏差（角）g，故突出标志物R位置的水深点R1；同样，第二次航行时，R位置的水深点偏移到了R2，测量R1与R2之间的距离d，航迹与突出标志物点R之间的垂直距离为r，则可按式（1）计算出航偏差角，

（1）

g为航偏差；

d为测量R1与R2之间的距离；

r为航迹与突出标志物点R之间的垂直距离。

（2）横倾偏差角，纵倾偏差角测定及校正。

横倾偏角是换能器与水平面垂直龙骨方向的夹角，纵倾偏差角是换能器与水平面纵向的夹角。它们是多波束测深的两个关键参数，这两个参数角实际上都包含一个动态分量和一个静态分量。动态分量是由风、涌、波浪等因素造成的，可以通过运动传感器（或称波浪补偿仪）予以校正。静态分量是由于安装时造成的，分别称为横倾角和纵倾角。横倾偏差角校正是针对多波束测深系统的换能器在安装过程中可能存在的横向角度误差而引入的一种校正方法。当换能器横向安装角度与理论设计角存在偏差时，水底地形将受到严重弯曲，为此，必须进行横倾偏差角的测定与校正。由于定位值延迟和纵倾角（偏差）均造成测点前后位移，因此，横倾偏差角校正独立于其他校正，故应予首先进行测定。横倾偏差角的测定，选择一处比较平坦的水域布置一测线在风浪较小的状况下，以正常的航速往返测量，选择符合要求的两条测线（航向相反、航迹较直且重复性较好，时间相隔短），然后用多波束测深系统的横倾模块，在垂直测线方向截取断面。通过调整横倾偏差角，使两断面最佳重合，这时的值就是横倾偏差角。

4 定位导航

本项目水深测量作业平面定位拟全部采用星站差分SF3050技术实施。由于SF3050 获取的是WGS-84 坐标，而测量成图所用的坐标系为北京54坐标系。因此，在测量前必须先求取WGS-84 到北京54坐标系之间的坐标转换参数。WGS-84 坐标系至北京54坐标系之间的坐标转换参数可直接利用控制点中3个以上控制点求取。为检验坐标转换参数的准确度，使用SF3050接收机进行坐标比对，利用实测坐标与已知坐标的比对差来检验转换参数的准确性，比对结果满足规范要求方可投入使用。

5 测量与数据处理

5.1 扫道设计和测线布设

（1）扫道方向。

在扫道方向设计时，考虑到多波束测深系统采集的是高密度条带式水深数据，它可以对水下地形进行全覆盖测深。在正常工作环境中，只要船速选择适当，就不会把特殊水深遗漏，因此，扫道方向的设计顺着航道方向布设[17]。

（2）扫道宽度。

（RESON 7125）的扫道设计宽度为W=2D图tanθ，式中D图为海图水深，θ为波束角。在实际操作中，扫道宽度根据现场水深来确定，是以扫道设计宽度值为准。另考虑到施工时对涨潮水位的充分利用，也可以实际扫侧数据填满屏幕显示的设计范围并有重叠为准。

（3）重叠带宽度。

《水运工程测量规范》规定：当测图比例尺大于1∶5000时，测深定位点点位中误差限值为图上1.5 mm，定位点记录中误差为图上0.5 mm。

重叠带宽度计算如下：

式中，

S为多波束扫侧重叠带宽度；

E0为测量船定位中误差；

E1为船舶偏航系统性误差。

根据上述的要求对川江港航道进行测线布设：多波束测线平行于航道布设，测线间距10m，测量时根据覆盖宽度选择测线号，保证在测量范围内全覆盖测量。具体布设局部区段示意图见图1。

5.2 测量实施和数据后处理

多波束测量使用的是RESON 7125测量软件，软件同步采集星站差分SF3050位置数据、多波束测深仪水深测量数据、波浪补偿仪姿态补偿数据、电罗经数据。声速仪实时采集声速数据确定单波束声速和多波束的声速剖面。使用CARIS后处理软件进行水深点的后处理，除去假水深，在CARIS 软件中录入潮位信息，自动对水深数据进行水位改正。数据处理包括数据预处理和成图两个部分。预处理主要包括定位数据处理，声速剖面数据处理，潮位数据处理，姿态数据处理，深度数据处理和数据编辑、去噪、合并、清项；成图处理是对预处理后得到的水深数据进行网格化，生成数字地形模型（DTM），形成海底地形图。

5.3 成果应用分析

对航槽施工区段的定期测量，将获得的数据提供给施工船舶进行施工作业。通过这种方式可以提高施工效率，保证质量。得到的多波束数据能很直观的反映出施工时遗漏的浅点。这一点通过单波束测量手段是无法做到的。下面抽取一次多波束测量后处理得到的航道区域内三维立体效果图（图2）和色块图（图3）。

参考文献

[1] 舒晓明.多波束在航道测量中的应用[J].科技资讯，2005.

[2] 黄永军，王闰成.多波束外业实施研究与探讨[J].科技创新导报，2009.

[3] 陈一超，多波束数据的智能化处理[J].科技创新导报，2010.