多波束测深系统应用于长江上游航道测量的探讨

郑国智 王成文

摘 要： 针对长江上游航道险、急、弯、窄、陡等复杂水情的特殊性，传统多波束测量的盲区主要集中在对崖壁地形、水下建筑物、浅滩、边坡和浅水航道的低效测量。本文通过利用多波束进行水下地形测量以及水下目标物探测的过程中，将侧扫图像与三维点云图像相结合能够对水下沉船、礁石等碍航物进行扫测，对各类水下建筑物的损毁情况进行精细的调查;实现航道测量与扫床同时完成，有效提高工作效率。因此，多波束测深系统正日益受到内河测量航道的认可，并在实际生产中发挥着越来越重要的作用。

关键词： 多波束测深系统;海洋测量;数据处理;航道

前言

多波束测深系统，又称为多波束测深仪、条带测深仪或多波束测深声呐等，最初的设计构想就是为了提高海底地形测量效率。多波束测深系统可在测量断面内形成十几个至上百个测深点，几百个甚至上千个回向散射强度数据，从而保证了较宽的扫幅和较高的测点密度;另一方面，较窄的波束、先进的检测技术和精密的声线改正方法的采用，也确保了测点船体坐标的归位计算精度，因而多波束测深具有全覆盖、高精度、高密度和高效率的特点。

1  多波束测深系统技术原理

多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底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海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，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，比较可靠地描绘出海底地形的三维特征。

2  多波束测试概况

2018 年 6月 ，应单位的邀请，海卓 MS200浅水型多波束测深仪厂家到长江上游航道适用性进行了现场演示测试。针对长江上游航道的特殊性及作业需求，结合多波束测深性能和特点，演示重点进行了如下三个方面的内容：

（1）任意角度倾斜测量--采用倾斜测量的方式对水下浅滩或建筑物进行测量，重点测试多波束的任意角度倾斜测量功能的可靠性和测量效果的一致性。

（2）航道水深测量--针对长江航道日常测量作业要求，考察多波束的测深功能和侧扫功能，重点测试多波束免安装校准、数据拼接和测量效果。

（3）航道障碍物扫测--对水下沉船或其他碍航物进行扫测，重点考察多波束的水下目标物的探测功能及分辨率。

3  测量实施

3.1  系统组成

本次测量采用了海卓 MS200浅水型多波束测深系统，与其他多波束测深相比，其最大的特点是采用了一体化设计，水下声纳换能器集成了光纤罗经姿态传感器、表面声速仪，水上处理单元集成了 GNSS 定位系统，使得整个系统仅有换能器电缆、GNSS 天线馈线、网络数据线和电源线等四条连线，使设备的连接使用大大简化。定位定位设备采用海卓 MS200多波束测深系统内置的GNSS单点定位模式，坐标系统采用WGS84坐标系统进行测深数据采集和处理，投影采用 UTM 投影。

3.2  倾斜测量小结

（1）崖壁地形、水下建筑物等原有测量盲区安全测量 利用海卓 MS200 的任意角度倾斜安装功能，在不进行任何安装校准的情况下，能够有效对水下崖壁进行远距离测量。在倾斜测量过程中，可以使测量船远离水下礁石、建筑物等，从而有效保障测量安全。

（2）保障航道浅滩地形高效测量针对浅水平坦水域能够有效提高测量效率，单侧覆盖宽度可达8倍水深以上，若采用双探头 V 型安装方案，可实现16倍水深以上的高效覆盖，有效解决长江上游浅水航道的高效测量问题。

3.3 沉船扫测

海卓 MS200 地形测量具有高分辨、高精度和高精细度的特点，可以对沉船 在水底位置、形态进行精细测量。依次为沉船的平面 彩图、三维模型图和三维点云图，从多个角度分别给出了沉船的位置、沉船的三维形态分布。海卓 MS200 采集软件中，可以对沉船的大小、高度等信息进行准确测量，为后续的沉船清理工作提供数据支撑。

3.4  礁石扫测

通过三维地形图，可以清晰的分辨水底的礁石等其他目标物。航道边坡附近的大块礁石和边缘的小尺寸礁石的分布、大小等特征信息都可以清晰的显示。

除利用测深功能获得的水下地形外，还可以根据海卓 MS200 侧扫成像功能输出的侧扫图像判别水底目标，右侧给出了航道边坡和附近小目标的三维地形，红色方框范围内地形和目标，在左侧的侧扫图像中，对应显示了目标的图像。

3.5 水下目标物扫测小结

海卓 MS200 多波束测深系统可以对航道和边坡进行精细化的地形测量和清晰的侧扫图像测量功能。通过以上功能，可以对水下沉船、礁石等碍航物进行扫测，也可以对丁坝等水下建筑物的损毁情况进行精细的调查;水下目标物扫测功能为碍航物的清理、水下建筑物的维护决策提供准确的数据支撑。

3.6  测量数据融合

由于海卓 MS200 多波束系统内置高精度光纤惯导且具备免安装校准功能， 有效保证不同模式下的测量数据实现高吻合度拼接，使得倾斜安装测量的航道两岸边坡数据和水平安装测量的航道数据，可以进行无缝数据融合。

3.7  实时测量数据融合

海卓 MS200 多波束系统的导航采集软件具备实时 DTM 构网和显示功能。 在完成针对航道边坡的倾斜测量后，进行水平安装航道测量时，采集软件实时显示水下地形 DTM 图，水平安装测量的结果与之前倾斜测量的结果能够很好的吻合，两次测量的重叠部分一致性高，无明显拼接痕迹。

4  测试结论

通过此次针对海卓 MS200 的三个主要测试项目的过程和测量成果的分析，可以得出如下结论：

（1）利用倾斜安装测量方式能够解决传统多波束测量盲区的问题针对长江航道，传统多波束测量的盲区主要集中在对崖壁地形、水下建筑物、浅滩、边坡和浅水航道的低效测量。通过此次测试可以证明，利用海卓 MS200 的任意角度倾斜测量功能可高效的对上述盲区地形进行精细测量，倾斜测量的结 果能够与常规模式测量结果完全吻合。

（2）完全免安装校准功能能够有效减轻多波束测量的工作量 通过倾斜测量和常规模式测量结果的数据处理和拼接可以证明，采用一体化设计的海卓 MS200 多波束测深系统在免安装校准情况先的测量结果能够达到长江航道水下测量的要求。同时采用一体化设计，连线减少，不需要进行复杂的安 装校准工作，可大大提高航道测量的外业工作效率，降低外业工作强度。

（3）地形和地貌同时测量能够有效提高各种水下目标物的检测和判断通过测试过程可以证明，利用多波束进行水下地形测量以及水下目标物探测的过程中，将侧扫图像与三維点云图像相结合能够对水下沉船、礁石等碍航物进行扫测，对各类水下建筑物的损毁情况进行精细的调查;实现航道测量与扫床同 时完成，有效提高工作效率。

参考文献

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