多波束在小浪底水库坝前漏斗测量中的应用

宋亚宏，赵 卿，吴艺兴

（黄委河南水文水资源局，河南郑州450003）

1 概述

多波束测深系统是集定位、测深、信号转换、数据记录等一体的水下地形测量技术手段[1]，相比于传统单波束测量技术，多波束具有高效、准确、全覆盖等优点[2]，能够实现水下地形测量由传统断面法到面状地形扫描的转变[3]。小浪底水库坝前漏斗是研究小浪底水库泥沙冲淤变化的重要区域，文中结合多波束的优势特点及小浪底坝前漏斗实际测量工作经验，介绍了多波束的系统组成，并分析影响测深精度的因素，探讨多波束在小浪底水库中的综合应用。

2 多波束测量原理

多波束由换能器（声呐探头）、GPS、RTK、表面声速仪、惯导（IMU）、RTA（水下模块）、船载工作站、剖面声速仪、后处理软件等部件组成。

换能器主要由发射单元和接收单元组成的T型阵列，其中发射单元以140°的扇面发射波束，接受单元接受经水底反射回来的波束；GPS作用是为多波束测量进行定速定向，RTK是为多波束测量提供精确定位及坐标转换信息，表面声速仪实时测为多波束提供声速改正信息，IMU实时记录测量过程中换能器的姿态信息，并对多波束进行实时改正，RTA将声呐数据、表面声速数据、姿态信息等进行同步处理，船载工作站主要用于控制多波束测量过程及存储测量数据，后处理软件实时记录多波束测量水下地形信息，并对测量结果进行后期处理。

3 多波束的应用

3.1 测线布设

小浪底水库坝前漏斗是坝前长期泥沙冲淤造成的漏斗状的区域，其范围为距大坝4.2km内。结合多波束存在波束开角及其扫描宽度与水深成正相关原理[4]，并结合小浪底坝前漏斗区的河道特性，测线布设为平行于河道，考虑到河道地形为中间深两侧浅特点，为了保证测线之间无遗漏，在测量过程中应合理控制船速和发射功率，保证相邻测线的重叠度，同时又兼顾测量效率。

3.2 误差分析与处理

多波束测量误差来源主要有系统误差和偶然误差，其中系统误差是固定的，主要受到多波束各部件安装误差、吃水改正、声速改正等的影响；偶然误差是随机的，主要受船速、姿态、风浪、振动、盐度、温度等影响[5]。

为了提高测量精度，削弱测量数据中的误差信息[6]，首先保证系统各部件之间安装参数的准确性，可以有效地控制安装误差。在测量前进行多波束校正数据采集，利用校正数据可以有效地削弱由于姿态造成摇摆误差和延迟误差[7]。剖面声速仪可以获取不同水深声呐传播速度（图1所示），利用获取的声速剖面数据，能有效地削弱由于声速传播及水温变化引起的测量误差。

图1 声速剖面图

由图1可以看出，在不同深度下，温度不同，声音的传播速度是不一样的，声速的变化对水深测量的影响非常敏感，因此，通过声速剖面数据能够有效地削弱由于声速不同造成的误差，从而有效地提高测量精度。

3.3 测量结果

理论上多波束换能器必须水平安装，由于船只受风浪和动态航行及安装条件限制，多波束换能器不可能完全处于水平状态，换能器与理论水平面有一定的夹角存在，如表1所示。

表1 多波束姿态改正参数

从表1可以看出，安装偏角引起的误差超过规范的极限误差，因此必须对多波束数据进行姿态修正，保证获取的水下地形数据真实可靠。利用声速剖面数据多获取的水深数据进行分层改正，从而获取高精度的水深数据。

多波束获取的是面状点云数据，而在测量过程中受振动等环境因素的影响，多波束数据会产生大量的噪点数据，为了消除噪点数据，获取真实的水下点云数据，需要对点云数据进行滤波处理，水深比对见表2。

由表2可以看出，经过误差改正及滤波处理以后获取的点云数据精度能够满足水下地形测量的需求。

表2 水深比对 m

小浪底水库坝前漏斗水下三维地形图见图2。

图2 小浪底水库坝前漏斗水下三维地形图

由图2可以看出，多波束测量系统能够准确、全面地获取小浪底水库坝前漏斗的真实水下地形情况，相比于断面内插获取的水下地形更加真实可信，精细化程度更高，对于水下地形情况的反映更为直观。同时可以利用点云数据得到等深线图、数字高程模型等多种数字成果，对改正后的点云数据进行深加工，可以获得更加丰富的成果产品。

4 结论与探讨

随着多波束测量技术在小浪底水库坝前漏斗水下地形测量中的推广与应用，能够快速准确地获取高精度、高分辨的水下地形，从而有效地解决了推算小浪底水库坝前漏斗冲淤变化的问题，为黄河进行大空间、大时间尺度水沙联合调度提供重要依据。

随着多波束技术研究的发展，多波束技术逐步由海洋走向内陆河道、水库及湖泊，其测量成果不仅局限于获取水下地形，同时也能配合倾斜摄影测量技术，同时建立陆地和水下三维模型，为以后黄河水沙关系的研究提供更为直观的基础资料。