多波束测深系统与单波束测深仪在长江河道测量应用中的比较与分析

杨柳 王超 吴忠明

摘要：为探讨多波束测深系统在长江河道测量中的適用性，在阐述多波束测深系统工作原理及工作过程的基础上，从测量方式、数据处理模式及成果形式等方面比较了传统单波束测深仪与多波束测深系统的差异。并通过采用两种测量方式同步施测，获取同一区域水下数据进行对比。结果表明：多波束数据精细度优于单波束，成果形式更多样化，但便捷性上略逊于单波束测深仪。

关键词：河道测量;多波束测深系统;单波束测深仪;冲淤计算

中图法分类号：TV221.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.006

文章编号：1006 - 0081（2021）05 - 0023 - 03

1 研究背景

随着时代的发展，多波束测深系统凭借其高效率、高精度、高分辨、全覆盖的特点已广泛应用于海洋测绘。同时，在三峡工程建成后，常态化险段预警监测、应急监测、河床冲淤分析对水下测量数据的精度及时效性要求越来越高。在长江河道测量中，通常采用传统的单波束测深仪。为进一步提高测量精度，计划将多波束测深系统引入长江河道测量中。本文在阐述多波束测深系统的工作原理及工作过程的基础上，从测量方式、数据处理模式及成果形式等方面全面比较了传统单波束测深仪与多波束测深系统的差异。

2 工作原理

多波束测深系统是一套用于水下地形数据获取的多传感器组合而成的设备，其利用安装在水下的换能器发射扇形波束，并接收水底反射回波信号，根据记录声波在水下的传播时间来量测水深（图1）。

多波束条带测深系统采用发射、接收基阵互相垂直的方式。发射基阵平行于船屉首尾连线安装，而接收基阵垂直于船体首尾连线安装。发射信号和接受信号分别在某一方向上形成较小的波束角，而在垂直的另一方向上形成较宽的方向角，其形成的组合区域即是测量区域，目的是使船体的运动姿态对测量系统的影响降到最低。

多波束测深系统具体测量过程为[1]：换能器阵发射形成的扇形声波波束，照射测量船正下方的一条狭窄水域，同时启动计数器;声波在水中传播，接触到该水域底部时发生反射，因各反射点的空间位置不同，回波返回的时间也不相同;到达换能器的回波中包含了水下地形起伏等信息，对回波信号进行固定方向的多波束形成、幅度检测、能量累积等处理，当检测到相应角度的回波信号时，记录其计数值，直至所有待测角度的回波都到达完毕，即完成了一次测量。此时根据对应角度的计数值和测量时的声速值，可以反算每个反射点距离换能器的深度，再经过简单的三角变换，即可同时测出多点的深度信息。测量船沿着航道方向运动并连续测量，便可完成对船两侧条带水域水下地形的测量。

3 差异性分析

多波束测深系统与传统单波束测深仪的差异，主要体现在测量方式、数据处理方式以及成果输出形式等方面。

3.1 测量方式

在传统的水道地形测量中，一般采用单波束测深系统。测深前需要垂直水流方向预置计划线，成图比例尺决定了计划线的间隔以及计划线上的测点间距[1]。在地形起伏变化较大处，一般需加密计划线或采用其他的布线方式，受人为因素影响较大，对测量人员经验要求较高。总体来说，针对水下测量地形精度要求较高且地形变化较大的区域，单波束测深系统难免会漏测特征点，无法精准反映真实地形[2]。在成图后，一般还需凭借经验对疑似漏测区域进行补测，无形之中增加了大量的工作及不确定因素。

采用多波束测深系统时，一般沿水流方向布设测线，相邻测线间有一定的重叠区域，从而保证了对水下地形的全覆盖测量。通过内业数据处理，可在点云数据中提取各种比例尺与各种密度的数据，一次测量可以形成多种比例尺的成果，大大地提高了测量效率，节省了测量时间。

3.2 数据处理方式

单波束测深系统与多波束测深系统的数据处理方式存在较大差异。由于单波束测深数据之间缺少系统误差关联，一般需人工判读，很大程度上依赖数据处理人员的经验。若内业人员经验不足或对测量区域不熟悉，尤其是在地形复杂区域，很容易出现漏判或误判的情况。而由于多波束测深系统的测深数据量大，容易找到数据间系统误差与实际地形之间的系统相关性，因此多波束测深数据的后处理一般采用自动滤波的方式，较大程度上降低了判读的主观性。

3.3 成果输出形式

由于单波束测深系统的测量成果为单点数据，一般只能作为单一比例尺DLG的基础数据，成果形式较为单一。多波束测深系统的测量成果为点云数据形成的地形曲面，可作为各个比例尺DLG的基础数据;此外，其点云数据还可通过后处理，生成DEM，并进行分层设色形成三维立体地形，成果形式丰富。

4 实例分析

在长江武汉河段及汉江武汉河段分别选取一个区域进行多波束、单波束测深系统的同步测深。单波束采用HY1601配合GNSS同步测深，多波束采用sonic 2024多波束测深系统进行施测。

4.1 点位精度分析

在单波束测深系统同一断面线上，以单波束测点周边0.5 m为半径提取多波束数据作为该单波束数据的共点，进行单波束与多波束所测数据的高程对比。其中，区域1共点数为327点，单波束与多波束高程互差（互差为单波束所测高程减去多波束所测高程，下同）最大、最小绝对值分别为0.200，0.001 m，互差中误差M=±0.119 m;区域2共点数为70点，单波束与多波束互差最大、最小绝对值分别为0.001，0.200 m，互差中误差M=±0.118 m，具体统计数据如表1与图2所示。

图2中大部分互差无系统性规律，说明两者之间无系统误差。从表1中可见，同点位高程互差均小于[±0.2m]，且中误差均优于相关规范。

4.2 断面精度分析

选取位于长江实验区域的4个典型断面，将单波束、多波束施测数据进行对比（图3）。

從图3中可见，两组数据在断面形态上基本一致，但在地形变化较大处，多波束对地形细节的获取较为准确、精细程度较高。

4.3 冲淤计算精度分析

为探讨多波束与单波束测深数据对冲淤计算精度影响，选取了长江河段长约1.4 km，宽约1.0 km实验区域。对多波束点云数据按2 m间距进行提取，单波束采用生成地形图后实测点及等高线数据，分别采用ARCGIS 3D分析模块生成DEM，并采用不同等深线模拟不同水位级，计算两套数据同一水位级下的容积，计算结果见表2。计算结果表明：同一水深下，两套数据差值较小，均能满足冲淤计算要求。但为延续计算数据的统一性，在计算不同年份之间冲淤量时，还应采用统一数据采集方式。

注：容积差值由单波束数据减去多波束数据得到。

4.4 数据采集处理时长对比

对单波束测深及多波束测深系统在本次试验各环节所用时间分别进行统计（表3）。

注：时长统计不含多波束安装时间。

由表3可知：单波束测深系统在测前准备、后处理等各个环节时间均少于多波束测深系统，在数据采集时间上多波束测深系统更快。根据多波束扫测原理，在大水深扫测时，此优势更加明显，但在面积小、水深不大的区域，单波束便捷性更高。

5 结 语

本文在比较单波束与多波束测量原理的基础上，通过应用两种方式同步施测获取同一区域水下地形数据，从数据准确性、时效性、成果形式等多方面对多波束测深系统与单波束测深仪进行系统比较。结果表明：单波束系统在数据获取的便捷性与时效性上略优于多波束，多波束测深系统在地形数据获取的精细程度上略优于单波束。但因本次试验区域略小，未涉及桥墩区，多波束大范围大水深全地形扫描优势未完全体现，后续需进一步开展研究。

参考文献：

[1] 马延霞.多波束条带测深系统测深精度评估方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[2] 多张旭， 李光林， 汪正. 多波束与单波束测深系统在长江航道测量中的应用比较[J]. 中国水运航道科技，2016（2）：66-69.

（编辑：江 文）

Abstract： In order to discuss applicability of multi-beam sounding system in hydrographic survey of the Yangtze River， on the basis of introducing principle and process of multi-beam sounding system， this paper compared differences between traditional single beam bathymetry and multi-beam system from aspects of measuring mode， data processing mode and result form. Underwater data in the same area were obtained through simultaneous measurement of the two methods.The results showed that data of multi-beam sounding system was better than that of single beam bathymetry， and result forms of multi-beam sounding system were more diversified. However， single beam bathymetry is more convenient.

Key words： river channel hydrographic survey;multi-beam sounding system： traditional echo sounder： erosion and deposition calculation