无人船多波束测深技术在抛石护岸工程评价中的应用

刘定宁

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 概述

众所周知，大江河道堤防的安全稳定在防洪减灾中发挥着重要作用，而两岸堤防常年受到洪水、水流及风浪的冲刷和侵蚀，为增强其防御性和抗风险能力，在河流两岸堤边会定期实施一系列的河道护岸工程[1-2]。目前，水下抛石具有成本低、施工简单灵活、可分期施工加固等优点，是其中最为普遍的一种护岸方式[3]。但是由于水体的遮挡，无法直接探查水下复杂的地形地貌，且抛石过程受到水流影响，会对抛石位置产生不确定性。水下抛石护岸工程是一种隐蔽工程，无法直接对抛石质量进行评估，目前通常采用水下地形的变化分析对其质量进行评价[4]。因此，获取抛石前后高质量的水下地形数据至关重要。

随着测深技术的快速发展，单波束测深仪和多波束测深系统是获取水下地形数据的两种常用测量设备。传统的单波束测深技术获取的是精度、密度和覆盖率都比较低的水下地形，而通过此成果采用传统的断面对比方法对抛石质量的评估有显著影响，并且对计算水下抛石总方量也会有一定差距，从而会影响抛石施工质量，不能完全发挥护岸工程的实际效益[5]。

多波束测深系统通过发射脉冲，能够获得一个条带覆盖区域内水深条带值，实现从点、线到面测量的跨域，广泛应用于河道水下地形测量[6]。它能够快速地获取全覆盖的高精度、高密度水下点云数据，其测点数据多达百万级或千万级以上，精度可达0.1 m，从而能够很好地反应水下目标物，实现对水底地形的精确表达，对抛石护岸工程质量评价的准确性具有十分重要的作用[7-8]。而通过无人船搭载多波束的新型作业模式，在获取高质量数据的同时，还能降低人工成本，提升作业效率。

2 系统介绍

近几年来，无人船测量技术在水下地形测量中得到广泛应用，是一种新的水下作业模式，通过搭载多波束设备，不仅可以在河道近岸浅滩、江河湖泊和浅水区域中测量，而且还能保证数据的精度，有效地提高作业效率[9-11]。本次通过使用集成化华微6号无人船搭载Norbit多波束测深系统进行水下地形测量，系统介绍如下。

2.1 华微6号测量船

华微6号测量船是一款集成化、多搭载、超轻便的全碳身自动无人船平台，整船重15 kg，由碳纤维一体成型，轻便、坚固，续航6 h，吃水0.15 m，最大通讯距离为2 km，可以自动巡航模式按照设计路线行驶，具有手动遥控相互切换、智能避障等功能，能够兼顾物流运输和近海风浪环境。可以搭载多波束测深系统和激光雷达，定制搭载ADCP、多参数水质仪、侧扫声呐等水文、物理勘查设备，可以满足不同应用需求。船体内部已经高度集成了多波束测深系统所需的主控、甲板单元、计算机和GNSS等设备，作业时简单安装Norbit多波束便可以进行水下测量作业。

2.2 Norbit 多波束

Norbit多波束是由NORBIT公司研发的一款新一代集成化、轻便化、高精度的多波束测深系统，它集成声纳探头、高精度GNSS、惯性导航系统INS、表面声速计于一体，具有轻便小巧，安装方便、功耗低等优点。换能器采用曲面阵列设计，能够有效的接收边缘波束的信号，大大提高工作效率，克服了传统多波束测深系统没有办法扫测到两侧浅滩的问题，可以提供多种水深测量方案(无人船多波束测深系统如图1所示)。

图1 无人船多波束测深系统示意

2.3 工作原理

多波束测深系统的工作原理与单波束类似(如图2所示)，通过发射换能器沿航迹方向以一定频率向水底发射宽扇区波束，形成一个扇形声传播区，利用接收换能器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底地形区域的照射脚印，进行相关处理后，每次探测能够得到与航线垂直的垂面内上百个甚至更多水下地形点的水深值，从而能够精确、快速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，真实可靠地描绘出水下地形的三维特征。与姿态数据和导航定位数据相结合，绘制出高精度、高分辨的测绘数字成果[12-13]。无人船多波束测深系统作业流程如图3所示。

图2 多波束的工作原理示意

图3 无人船多波束测深系统的作业流程示意

3 应用实例

3.1 河道概况

河道治理对于维护河道安全是非常重要的，其中，北江大堤西南段河道是广东省佛山市三水区主要行洪排涝通道，也是重要海运通道。河床起伏曲折，河道中间深，两边浅，最大水深约22 m，上游到下游全长约5.5 km。该河段因常年受洪水冲刷影响，需要对其河道水下进行抛石管理维护。本文采用集成化华微6号无人船搭载Norbit多波束测深系统开展抛石前后水底地形测量工作，从数据获取、数据处理、成果输出和效果评定等方面进行阐述，证明该系统能够获取高精度、高分辨率的数据，为河道治理提供真实可靠精细的基础数据。

3.2 实施过程

3.2.1设备安装

华微6号无人船和Norbit多波束是高度集成化的，除首次安装相对较复杂一点，以后每次测量的设备组装都非常便捷，无需重复安装。组装主要包括多波束探头安装，甲板单元安装和数据线连接，船体安装，即浮体和电池安装。其中，Norbit多波束安装在船体的底部中心位置，华微6号无人船已经集成安装了GNSS数据接收天线，甲板单元和电脑等设备，以及相关的数据线连接。

3.2.2测线布设

河道环境较为复杂，过往船只较多，河床起伏也比较曲折，为保证测量安全性和数据重叠性的情况，不考虑布设测线自动测量，而是通过导入测量范围线，采用遥控手动控制无人船多波束在范围线内沿着河道方向测量，以多波束开角120°，往返扫测，河道岸边等斜坡测量区域，调整开角为140°，波束旋转5°～10°。这种灵活设置测线的方式，既能保证设备安全性，又能有效确保数据的重叠度和无遗漏测量。

3.2.3数据采集

1)配套软件连接

系统设备安装完成后，连接系统配套的GUI控制软件、船控软件和数据采集软件Qinsy，进行新建项目、设置参数、连接相关接口等相关准备工作。

2)姿态校准

首次在新的河道区域中测量时，需要进行无人船多波束的姿态校准，俗称“跑8字”，通过软件对换能器安放位置相对于船体重心位置进行姿态校准，以确保测量数据的精确性。

3)测前和测深检查

测量之前使用RTK进行定位和高程检查，检查结果为平面较差0.03 m，高程较差0.02 m，符合规范要求。水深检查，测得水深读数较差为-0.04 m，符合规范要求(水深在0～10 m内较差应不大于±0.15 m，水深在10～20 m内较差应不大于±0.2 m)。

4)声速改正

声速是影响数据精度的因素之一，声波在水中传播过程中会受到温度、压力、盐度的影响，从而导致其传播速度和方向发生改变，声速随着深度的增加逐层发生变化，会直接影响回波点计算的准确性。因此，在进行水下测深时需要使用声速剖面仪进行人工测量获取数据，通过软件处理完成声速改正。

5)现场测量

多波束测深系统工作准备完成后，除姿态校准外，对其他仪器设备进行检查调试，通过测深系统控制软件，观察运行状态、信号接受质量等情况，确定系统一切正常后即可开展水下测量作业。扫测时，手动遥控保持船速稳定，对照系统测深显示软件和数据采集软件，完成设备的数据采集工作。

3.2.4数据处理

多波束获取的数据通过配套专业软件Qimera进行处理，主要分为两部分：预处理和去噪处理。预处理比较简单，主要是声速改正和偏移改正等。而数据去噪是相对比较复杂的，有自动滤波和手动处理两种方法。自动滤波采用数学算法处理方式，通过软件设定各项合理的参数删除大部分噪点和错误点，效率非常高；手动处理采用人机交互界面，通过截取动态表截面手动删除噪点，直观性较强，可靠性较高，但效率较低，与操作者能力、经验有关，具有一定的主观性。两种方法相结合可以更加有效去除噪点，得到准确可靠的点云数据。此次采用两种去噪处理相结合的方式进行。

3.3 水下抛石效果评价

软件处理后的最终成果是三维点云数据，不论是在较为平坦的区域，还是在洼地起伏区域，测线之间重叠部分测量数据吻合非常好，没有出现明显错开地形，对比较差在10 cm以内，因此表明集成化无人船多波束测深系统测量成果具有非常高的测量内符合精度。下面分别从3个方面对水下抛石效果进行分析和评价。

1)动态表面对比分析

获取的抛石前后水下测量数据在处理软件中分别建立动态表面进行对比(如图4所示)，从动态表面可以直观看出，抛石前表面整体比较平滑，抛石后表面增加了许多细小颗粒即抛石对象，表面整体的粗糙程度发生了很明显的变化。

a 抛石前

2)点云对比分析

根据软件处理后的抛石前后水下三维点云数据显示效果进行对比(如图5所示)，能够更加直观地看出，抛石前平滑、平坦的地形，经过抛石后变得凹凸起伏；此外也可以大概知道抛石的位置以及凸起的抛石量。

a 抛石前

3)叠加图对比分析

利用ArcGIS软件对抛石前后两期的水下点云数据分别构建DEM，并进行相减，得到抛石前后的冲淤变化图(如图6所示)，红色和黄色表示淤积程度的深浅(即抛石区域)，深绿色表示轻微的冲刷或无明显变化，可直观看出抛石的准确度，超抛欠抛的情况。此外，相比较于传统断面法计算抛石量，ArcGIS根据多波束获取的抛石前后点云数据得到的抛石工程量更加准确、可靠，不仅可以为现场提供后续抛石决策提供辅助，还能够评定抛石工程的施工质量。

图6 抛石前后DEM对比示意

4 结语

随着科学信息技术的快速发展，行业对测绘数据的质量要求也越来越高，而无人船多波束测深系统可以获取高密度、高分辨率、覆盖范围广的水下地形数据，很好地提高了效率。在抛石工程项目中，能够科学、真实地反映抛石前后测量区域河床的水下三维一体化现状，为相关河道冲刷研究、河道治理等工作提供可靠依据。此外，该技术也广泛应用于河道地形测量等工程项目中。但大量的点云数据也带来了挑战，例如，如何更加高效地处理数据，如果更直观准确地表达分析成果，这将是接下来要重点研究的问题。