珠江流域某河道水深测量及精度分析研究

马海伟

摘  要：该文结合笔者参与的珠江流域某河道水深测量的工程案例，探讨了影响多波束水深测量精度的几个因素，包括定位精度，定位时延、横摇、纵摇、艏摇，系统测深精度，各设备间的距离精度，声速测量，验潮精度，数据覆盖密度，数据处理剔除噪声等，并结合工程案例重点探讨了横摇、纵摇、艏摇对测深精度的影响，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：水深测量  多波束  精度  影响因素

中图分类号：TV698.1    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（b）-0025-03

多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合系统，是高精度导航定位技术、高性能计算机技术、数字化传感器技术、高分辨显示技术、现代信号处理技术及其他相关高新技术等技术高度集成的系统，自问世以来就一直以结构复杂、技术含量高和系统庞大著称。与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点，它把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和高精度成果图绘制，特别适合进行大面积的海底地形探测。

目前，多波束测深系统已经向集成化与模块化方向发展，数据处理也实现了软件自动化处理，随着珠江流域水利水电建设测绘技术的发展，笔者单位引进成套的多波束测深系统，主要设备包括：Sonic2022声呐系统、GPS罗经、姿态仪、声速剖面仪等;主要软件包括：R2Sonic声呐控制软件、QINSy数据采集软件、CARIS数据处理软件等，在许多工程中发挥出了巨大的作用。现以珠江流域某河段多波束测深系统测量为例，分析影响测量精度的因素，采取提高测量精度的措施。

1  多波束系统工作原理

多波束测深系统是组合设备系统，GPS罗经可以进行瞬时定位，姿态仪可以确定瞬时姿态参数，声呐探头可以探测瞬时水深，将这些设备测量的数据进行整合计算并加以改正，便可得出准确的水深数据。多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向水下发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对水下地形的照射脚印，对这些脚印进行适当的处理，探测瞬间就能测量出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的水深值，从而能够快速、精确地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出水下地形的三维特征。

2  影响多波束测量精度的因素

影响多波束测量精度的因素如图1所示。

2.1 定位精度影响

定位精度除受定位设备的精度直接影响外，主要还受水下地形的影响，定位误差对水深点的影响是改变了具体位置处的真实水深值。测量时采用的GPS罗经是 HemisphereVS100定位系统，该系统接收SBAS信号，定位精度优于±1m，测区水下地形坡度约为1∶20，±1m的定位误差在坡度线上对水深产生±0.05m的影响，完全满足水下地形测量精度要求，况且多波束测深时为平行河道测量，测线基本上沿水下等高线进行，定位影响可以忽略不计。但如果水下地形坡度较大或比较复杂，提高定位精度可提高水下测量精度。

2.2 定位时延、横摇、纵摇、艏摇的影响

定位时延中误差规范要求不小于0.05s，以5节船速计算，所产生的定位误差为±0.13m，由此产生的水深误差可以忽略不计。如定位时延误差过大、船速过快、水下地形复杂，将会对水下测量产生较大的影响。横摇偏差规定中误差应小于0.05°，测区的平均水深为30m，波束角为1°×1°，波束横向开角控制在120°，当探杆固定垂直向下无倾角误差时，边缘波束将产生约±0.05m横向的水深误差，这种误差对水深测量影响很小。当横摇偏差校正误差达到0.1°，将会对水深产生约±0.1m的误差，随着误差的变大，横摇偏差将对水深产生较大的影响。纵摇偏差规定中误差应小于0.3°，测区的平均水深为30m，波束角为1°× 1°，波束横向开角控制在120°，当探杆固定垂直向下無倾角误差时，边缘波束将产生约±0.05m的纵向水深误差，这种误差对水深测量影响很小。当纵摇偏差过大时，同样对水深产生较大的影响，与横摇偏差相比较，纵摇偏差对水深测量影响较小。艏向偏差规定中误差应小于0.1°，测区的平均水深为30m，波束横向开角控制在120°，当探杆固定垂直向下无倾角误差时，经计算，边缘波束将产生约 ±0.09m的点位偏差，在水下地形坡度约为1∶20的水域产生的水深误差可以忽略不计。但如果艏向偏差误差较大或水下坡度较大，水深误差也随着增大。

2.3 系统测深精度

Sonic2022型高分辨率宽带多波束测深系统是世界上第一台真正的高分辨率宽带浅水多波束测深仪，代表了当前最先进的水下声学技术，其最大量程500m，量程分辨率为1.25cm，精度高，在不考虑其他因素的影响下，单独的测深精度完全满足水下地形测量的要求。

2.4 提高各设备间的距离精度

系统各配套设备的传感器位置与测量船参考坐标系原点的偏移量应精确测量，读数至厘米，往返各测1次，水平方向往返读数互差应小于50mm，竖直方向往返读数互差应小于20mm，在限差范围内取其均值作为测量结果。提高各设备间的距离量测精度或在船坐标系中的坐标精度，能够提高水深计算精度。

2.5 声速测量的影响

声速与海水温度、盐度和静水压力密切相关，声速随温度升高而增大，温度升高1℃声速的变化是原来的0.35%，设C=1450m/s，则声速将增大约5m/s，声速受温度影响最大;随盐度增加而增大，盐度增加1，声速值增加约1.14m/s;静压力增加，声速值增加，海水深度变化100m，声速增量约1.75m/s。经计算，声速每变化10m/s，水深变化将达0.3m左右，声速对测深精度影响相当大，多波束测深对声速测定要求很严格，多波束系统配备的是AML.Minos.X 声速剖面仪，量程为1375～1625m/s，精度为±0.006m/s，分辨率为0.001m/s，如按要求使用声速剖面仪并且操作和采集数据正确，能够满足多波束测深的要求。

2.6 验潮精度的影响

水位观测可采用验潮站的自记式验潮仪、便携式验潮仪、水尺等，其观测误差不得大于2cm，验潮站的密度应能控制测区的潮汐变化，相邻验潮站之间的距离应满足最大超高差不大于1m、最大潮时差不大于2h、潮汐性质相同。多波束测量时在6km河段的改为上游、下游分别布置了2把水尺，按要求进行观测，验潮精度可以满足要求。

2.7 数据覆盖密度的影响

Sonic2022型多波束測深系统波束角为1°×1°，瞬时测量可达256个波束，如果波束开角控制适当，在平均水深约30m的河底，能够生成不大于0.52m的水下点位密度，可形成高分辨率的水下三维地形，但如果波束开角较大、河水较深，势必降低水下地形分辨率，地形的精度也会有所降低。

2.8 数据处理剔除噪声

多波束系统数据处理，通过潮位改正、声速改正、姿态校正、定位处理和数据合并后，还需将错误数据剔除。多波束数据采集量大，不可避免地会出现噪声，受多重因素的影响，多波束边缘波束往往质量较差，一般通过处理软件先进行过滤，在满足数据密度要求的情况下，可将重叠区或边缘区多余的数据删掉; 也可通过制作瓦片图的方式进行数据精细处理，将粗差较大的数据进行一一剔除，瓦片图中瓦片的大小可根据实际地形需要来制作。通过多波束测深及图像数据处理技术，可以得到精度高的可视化成果。

3  工程案例

多波束测深系统测量在珠江流域某河段得到了充分应用，现举例说明横摇、纵摇、艏摇对多波束测深的精度影响，其他因素主要属于设备自身精度的影响，提高仪器本身的精度可以提高测深精度，这个不难理解。考虑到横摇、纵摇和艏摇3个姿态参数同流速、船速和波浪等因素之间的联系，因此选取较为理想的条件进行姿态参数求定，经过实地测量并严格校准，校准值分别是横摇值R=-0.45°，纵摇值P=-0.5°，艏摇值Y=0°，经校准值计算的水深可认为是实际水深值。根据断面上的数据，分别变化各校准值重新计算测量水深，并与实际水深值进行比较，统计结果表明，当水深约37m，横摇值减少0.05°和0.1°，波束角右舷60°的位置实测水深变化约0.05m和0.10m;当水深约48.4m，横摇值减小0.05°和0.1°，波束角左舷60°的位置实测水深变化约-0.06m和-0.13m;波束角越大，水深越深，横摇值的变化对测深精度影响越大，因此规范要求，横摇偏差规定中误差应小于0.05°。由表1可知，当水深约37m，艏摇值增加0.1°，波束角右舷60°的位置实测水深变化约0.01m;当水深约48.4m，艏摇值增加0.1°，波束角左舷60°的位置实测水深变化约0m;因此规范要求，艏摇值偏差规定中误差应小于0.1°。由以上3个统计数据可以看出，横摇偏差将对水深产生较大的影响，应提高横摇值校准精度，同时当水深较深时，应尽量减小波束开角，减少测量误差。

4  结语

多波束测深系统是多种技术集成的高科技系统，相关的设备多，外业测量及数据处理都比较复杂，各种设备不可避免地都会带来测量误差，除上述因素影响精度外，姿态仪灵敏度精度、控制网及坐标转换精度、探杆安装倾斜角度的误差因素等也会影响最终精度，通过更换更高精度的设备、提高测量或安装精度，严格按照多波束测深要求测量，对姿态进行精密校正和对数据进行精细处理，可以提高多波束测深精度，形成高精度的三维水下成果，满足一般成图精度要求，在水利建设方面有广阔的应用前景。

参考文献

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