基于多元协同测深技术的复杂水域水下地形测量

吴昊 张晓萌

摘要：

为提高复杂水域水下地形地貌测量精度，提出基于多元协同测深技术的复杂水域水下地形测量方法。该方法首先利用多波束大面积普查获得高精度点云，对点云进行高程赋色并发现异常区，然后利用侧扫声呐对异常区进行重点排查并构建二维影像，最后结合多波束点云，构建水下构筑物的精细化纹理模型。以武汉市天兴洲大桥下游试验区域为例利用该方法展开了实例分析。结果表明：协同运用多波束精密测深与侧扫声呐高清摄像的方法可清晰观察水下构筑物的形态特征，获取水下地形的丰富信息。

关键词：

水下地形测量； 单波束测深系统； 多波束测深系统； 侧扫声呐； 复杂水域

中图法分类号：TV221.1

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.006

文章编号：1006-0081（2023）04-0034-05

0 引 言

水下地形测量作为一项基础性海洋测绘工作，其核心技术是水深测量［1-2］。由换能器阵列组成的多波束测深技术始于20世纪70年代，随后基于多波束测深系统的水深测量技术不断发展［3-4］。作为一种高分辨率、高精度、高效率的水下地形测量新技术，多波束测深系统精度高、速度快、覆盖范围大、成图自动化、记录数字化，已在河道测绘中得到了广泛运用［5-7］。虽然多波束测深技术可获取精确的水深数据及平面坐标，但生成的三维模型无法满足地物轮廓的精细描绘，而侧扫声呐技术可获取高清二维影像，但缺少平面位置信息及水深数据，因此本文综合应用这两种方法进行河道地形测绘，能有效地实现优势互补，获取更加详细、准确的水深数据及特殊地物图像。

1 研究方法

多波束测深原理如图1所示。多波束测深系统沿航迹方向和垂直航迹方向以一定的频率发射波束，形成扇形声波束传播区，单个发射波束与接收波束的交叉区域称为脚印。根据各角度声波到达的时间或相位可分别计算波束脚印的坐标和深度，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［8-9］。

侧扫声呐系统由工作站、绞车、拖曳电缆、拖鱼、GPS接收机等组成。侧扫声呐利用声波反射获取回声信号图像，根据回声信号图像分析水底地貌和障碍物，识别水底沉积物类型等。图2为侧扫声呐的工作原理示意图。

2 复杂水域水下地形测量技术流程

多波束和侧扫声呐均可有效获取水底地形与地貌图像。多波束可以全面了解探测区水底地形的起伏情况，但无法直观的判读水底情况，侧扫声呐可以获取高分辨率水底影像但位置精度较低。因此通过联合采用多波束系统、侧扫声呐系统，协同运用“面积性普查、局部性详查”的检测思路，具体思路如下：首先利用多波束大面积普查获得高精度点云，对点云进行高程赋色并发现异常区，然后利用侧扫声呐对异常区进行重点排查并构建二维影像，最后结合多波束点云，构建水下构筑物的精细化纹理模型。技术流程如图3所示。

3 实例应用

3.1 试验区概况

试验区位于武汉市天兴洲大桥下游。总面积约为0.05 km2，长度约为262 m，宽度约为201 m。为1∶500测图比例尺的水道地形测量，需提交水道地形图及水工构筑物三维模型。试验区有一固定水工构筑物，常年处于水下，水流环境复杂，该建筑物经过一段时间的运行，出现不同程度的淤积、材质劣化、功能降低等现象。若此类水工建筑物出现问题具有发现难、处理难、突发性强、后果严重等特点，对其检测具有较大难度。通常情况下，测量河道中只有泥沙，但该试验区内还存在水工建筑物，增加了难度及危险性，因此，该区域可以被认为是复杂水域。

本文提出的多元协同测深技术中，测深系统起到了关键作用。由于多波束与单波束测深系统均能提供水下点的三维坐标，因此本文对比了使用单波束和多波束测深系统获得的点位精度、断面精度，着重比较了在不同测深系统下重合點的互差、中误差，重合断面的面积差。同时，对地形图进行了定性分析，着重比较了重合区域等高线的精细度。该项目共用单波束测深系统、多波束测深系统共施测两次。采用单波束测深系统，本项目测图比例尺为1∶500，采用预制横断面法布设计划线，共垂直于河道布设13条计划线，线间距10 m，测点间距5 m。采用多波束测深系统时，沿河道方向布设2条计划线，相邻测线间有一定的重叠区域，旁向重叠率为20%，从而保证了对水下地形的全覆盖测量。

3.2 点位精度分析

参照单波束测深断面线，以单波束测点为圆心，0.5 m为半径，提取多波束测点，作为单波束测点的共点，从而对比单波束与多波束测点高程。其中，试验区域共点总数为2 280，单波束与多波束测点高程互差（单波束测点高程减去多波束测点高程）的最大、最小值分别为0.200，-0.200 m，互差中误差M=±0.097 m，具体统计数据如表1～2所示，均满足SL 257-2017《水道观测规范》要求。从表1～2可见，同点位高程互差均小于±0.2 m，且中误差均优于相关规范。

3.3 断面精度分析

选取试验区域均匀分布的5个典型断面，对比分析单波束、多波束数据。单波束测量相邻测点距离较远会导致存在较大高差，而多波束测量相邻测点距离较近，高程波动幅度较小，对于水下地形测量，可分析连接点变化情况，由此判断实际测点高程［10］。

图4展示了同一断面位置的单波束与多波束测点高程对比情况，在断面形态上两组数据基本一致，但对于地形变化较大处，多波束相比于单波束，其地形描绘的精细程度和准确度更高。

本文选取试验区域内均匀分布的10个断面进行比测，每个断面单波束和多波束各施测1次，各断面面积差如表3所示，10个断面的面积差均不大于2%，满足SL 257-2017《水道观测规范》要求。

3.4 地形图精度分析

本文截取采用单波束测点和多波束测点绘制同一区域的水下地形图，如图5所示。可以看出，多波束测量首先具有全覆盖、高效率特点，能更加客观地反映水下真实情况，为决策提供数据支撑；其次可清晰直观地表达河床的演变趋势与形态，获取更为密集的数据点；且多波束测量在目标物的形状、大小及高低变化时具有明显优势，能绘制出更加精准详细的等高线，真实还原水下地形地貌。

3.5 二维影像效果

试验区内有一取水管道，通过侧扫声呐图像数据获取了取水管道的位置、大小及分布范围，从图6可清晰观察取水管道的形态特征，与三维模型相互配合、验证和支撑，为数据分析提供有效补充。

3.6 三维模型效果

对多波束数据进行姿态改正、声速改正、潮位改正、去除噪点等一系列处理，获取了精确的水深数据，最终生成的点云数据如图7所示，可供后续建模使用。

综合各项测量数据，最终生成如图8所示的取水管道结构三维模型图，可直观、定量地显示现阶段取水管道情况。

4 结 论

为获取河道水下地形地貌，本文协同运用了多波束精密测深及侧扫声呐高清摄像，结合实际项目对比同期施测的单波束和多波束水深测量数据、断面数据、数字地形图、侧扫声呐影像数据进行综合分析，最终建立典型水下构筑物的三维模型，结论如下：

（1） 多波束数据剔除粗差后，各项精度指标良好，与单波束相比，多波束测深系统覆盖范围更广、点密度更大、效率更高，可准确获取水下地形丰富信息。

（2） 结合多波束精密测深数据和侧扫声呐二维影像，可清晰观察水下构筑物的形态特征，与三维模型相互配合、验证和支撑，为复杂水域的工程应用提供参考。

（3） 联合运用多波束测深系统和侧扫声呐系统，极大地改善了以往主要依靠人工判读分析水下隐蔽建筑物的情况，有效避免了单波束测深系统点线式测图的劣势，将其发展为面状测量，可最终生成高精度的三维模型，进一步提高了水下地形测量的技术水平。

参考文献：

［1］ 赵建虎，欧阳永忠，王爱学.海底地形测量技术现状及发展趋势［J］.测绘学报，2017，46（10）：1786-1794.

［2］ 翟国君，黄谟涛.我国海洋测绘发展历程［J］.海洋测绘，2009，29（4）：74-81.

［3］ 李海森，魏波，杜伟东.多波束合成孔径声呐技术研究进展［J］.测绘学报，2017，46（10）：1760-1769.

［4］ 李海森，周天，徐超.多波束测深声纳技术研究新进展［J］.声学技术，2013，32（2）：73-80.

［5］ 张同伟，秦升杰，唐嘉陵，等.深水多波束测深系统现状及展望［J］.测绘通报，2018（5）：82-85.

［6］ 王建忠，王玉龙.多波束与RTK三维水深测量技术的联合应用［J］.测绘工程，2014，23（4）：65-68.

［7］ 别伟平，郭志勇，于永宽.多波束与侧扫声纳在水下障碍物探测中的综合应用［J］.港工技术，2019，56（增1）：157-159.

［8］ 赵建虎.多波束深度及图像数据处理方法研究［D］.武汉：武汉大学，2002.

［9］ 刘一军.单波束与多波束测深系统在浅水区水下地形测量中的应用研究［J］.经纬天地，2021（3）：4-6.

［10］ 杨柳，王超，吴忠明.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［J］.水利水电快报，2021，42（5）：23-25，29.

（编辑：江 文）

Underwater terraine mapping based on multivariate collaborative technology under complex water conditions

WU Hao，ZHANG Xiaomeng

（Middle Changjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430012，China）Abstract：

To improve the accuracy of underwater terraine mapping under complex water conditions，the paper proposed a method of bathymetry survey based on multivariate cooperative bathymetry.By using the method，high-precision point clouds were obtained by multi-beam large-area survey，and the abnormal areas were identified by altitude coloring of point clouds.Then the side-scan sonar was used to focus on abnormal areas to screen and construct two-dimensional images.Finally，a fine-grained texture model of underwater structures was constructed by combining multi-beam point clouds.The downstream test area of Tianxingzhou Bridge in Wuhan was taken as an example.The results showed that the morphological characteristics of underwater structures could be clearly observed and abundant information of underwater terrain could be obtained by using the method of multi-beam precision sounding and side scan sonar high-definition photography.

Key words：

underwater terraine mapping； single-beam bathymetry system； multi-beam bathymetry system； side-scan sonar； complex water conditions

收稿日期：

2022-06-05

作者簡介：

吴 昊，男，工程师，主要从事河道勘测方面的工作。E-mail：1090818964@qq.com

通信作者：

张晓萌，女，主要从事河道勘测工作。E-mail：2927626306@qq.com