趙 鋼，王冬梅，黃俊友，吳 杰

多波束與單波束測深技術在水下工程中的應用比較研究

趙 鋼1，王冬梅1，黃俊友1，吳 杰2

（1.江蘇省水利科學研究院，南京 210017；2南京市長江河道管理處，南京 210011）

多波束測深系統(tǒng)是目前河道測量中最先進的儀器之一，通過對多波束測深系統(tǒng)、單波束測深技術在典型水下工程的比測實驗，分析其誤差來源和精度，驗證了在水下工程中多波束測深系統(tǒng)與常規(guī)的單波束測深技術相比具有明顯的優(yōu)勢，從而為多波束測深系統(tǒng)在水下工程中的應用拓展提供科學的依據(jù)。

多波束；雙頻測深儀；比測；誤差

多波束測深是一種具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形測量新技術，多波束測深系統(tǒng)自20世紀70年代問世以來，特別是最近十幾年，在高性能計算機、高分辨率顯示、高精度定位和各種數(shù)字化傳感器以及其他相關高新技術的介入和支撐下，多波束測深技術獲得了極大的發(fā)展。與傳統(tǒng)的單波束測深技術相比較，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、速度快、精度高等諸多優(yōu)點。它把測深技術從原先的點線狀擴展到面狀，并進一步發(fā)展到立體測圖，從而使海底地形測量技術發(fā)展到一個較高的水平。

目前水文測量系統(tǒng)應用的主要測深技術是單波束測深技術，多波束測深系統(tǒng)在全國范圍內(nèi)應用的較少，本文選擇GeoSwath Plus多波束條帶測深系統(tǒng)與加拿大Knudsen雙頻測深系統(tǒng)（屬于高精度單波束測深系統(tǒng)的一種）在典型水下工程如水下潛壩工程中的應用進行了對比分析。

1 水下地形測量系統(tǒng)

1.1 GeoSwath Plus多波束條帶測深系統(tǒng)

英國GeoSwath Plus多波束條帶測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復雜組合測量系統(tǒng)，主要由換能器、DSP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、高精度的運動傳感器、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、聲速剖面儀及數(shù)據(jù)處理軟件構成，見圖1。GeoSwath多波束由2組換能器組成，呈“V”字型，每組換能器與豎直方向交30°角。每組由4個換能器單元組成，其中一個用來發(fā)射和接收，另外3個只用來接收，單邊換能器的波束開角為120°。GeoSwath多波束條帶測深系統(tǒng)（125 kHz），其深度量程可達200 m，最大覆蓋可達12倍水深，分辨率為6 mm，每次掃描的取樣數(shù)在20 m水深時，可達2 500個，在100 m水深時，可達12 500個［1］，精度符合國際海道測量組織（IHO）S－44精度標準。

圖1 GeoSwath多波束條帶測深系統(tǒng)配置示意圖Fig.1 GeoSwath multi-beam sounding system sketch

多波束測深系統(tǒng)能夠?qū)λ碌匦芜M行全覆蓋測量，具有同步測深點多、測量快捷、全覆蓋等特點，能完成常規(guī)方法難以勝任的測量任務，尤其適用于大比例尺的測繪和特殊要求的水道地形測量等。由于多波束系統(tǒng)具有實時監(jiān)測功能，可以現(xiàn)場監(jiān)視水下地物地貌的細微變化，因而在堤防安全、潰口、崩岸監(jiān)測、拋石護岸監(jiān)測、水下工程施工監(jiān)測、港口及疏浚工程監(jiān)測、水下物體摸探及打撈等方面具有其它方法不可替代的作用。

1.2 Knudsen 320 M雙頻測深系統(tǒng)

Knudsen 320M雙頻測深系統(tǒng)屬于高精度單波束測深技術的一種，適用于水文、勘察、航道及港口工程等行業(yè)的專業(yè)測量和水深數(shù)據(jù)記錄。能與計算機和GPS定位系統(tǒng)等外設進行數(shù)據(jù)傳輸。Knudsen 320 M雙頻測深系統(tǒng)的主要指標如下：測深范圍0.3～300 m；測深精度 ±1 cm（0－99.99 m），±10 cm（100～999.9 m）；包括高頻和低頻兩個換能器，分別為28～200 kHz，可以單雙頻交替使用。

Knudsen 320 M雙頻測深系統(tǒng)為水下地形線性測量儀器，在兩條測線之間存在一定的盲區(qū)，為了使盲區(qū)的區(qū)域降低，只能采取加密測線的方法，但是這樣會成倍增加工作量。

2 水下工程選取

長江重要的水下工程包括河段整治、水下拋石、水下潛壩、堤基防滲處理、大型穿堤建筑物除險加固等，其中大部分水下工程是隱蔽工程，看不見、摸不著。各項目的河勢情況、水文地質(zhì)條件均不盡相同，施工技術要求也不相同，施工難度大。針對各施工項目的建設特點和難點，在工程施工中選取技術先進的水下測量方法，實時高效地提供水下工程的進展情況，可以切實保證工程建設質(zhì)量，大大提高工程技術水平和投資效益。

本文選取具有代表性的長江鎮(zhèn)揚河段和暢洲左汊潛壩工程進行比較研究。和暢洲左汊潛壩工程分為塑枕護底工程和壩體工程2部分。其中塑枕護底工程從0＋530至1＋400，全長870 m，采用1.2 m×10 m普通塑枕和1.9 m×10 m復合塑枕，內(nèi)充填江砂，要求拋護2～3層，平均拋厚2.4 m。壩體工程為和暢洲左汊口門水下的全斷面塑枕潛壩，潛壩從南岸到北岸全長1 120 m，設計壩頂高程為－20 m（黃海高程，下同），壩頂寬度為10 m，上游迎水面坡比為1∶2.5，下游背水面坡比為1∶3。

長江鎮(zhèn)揚河段為感潮河段，漲潮歷時約3 h，退潮歷時約9 h。退潮時流速快，最大流速可達3.0 m／s以上。汛期流量大，其中1998年汛期流量達8.5萬m3／s。和暢洲左漢深泓處水深達 －60 m，水面寬1 400 m。在如此復雜的水情條件下建筑水下潛壩，其難度是可想而知的。

3 多波束與單波束測深技術的比測

為了尋求一種更精確、更全面反映水下工程施工現(xiàn)狀和形狀的手段，利用GeoSwath Plus多波束條帶測深系統(tǒng)和Knudsen 320 M雙頻測深系統(tǒng)，在長江鎮(zhèn)揚河段和暢洲左汊潛壩工程附近區(qū)域，進行比測。GeoSwath Plus多波束條帶測深系統(tǒng)在測量時實時進行了姿態(tài)補償、聲速改正、吃水改正、GPS延時改正和后處理時的潮位改正；Knudsen 320 M雙頻測深系統(tǒng)一般只進行聲速改正、吃水改正、潮位改正。具體比測方法如下。

（1）系統(tǒng)自符性比測：通過相對精度評定的方法，布設多條交叉重疊的測線，獲取交叉重疊點水深數(shù)據(jù)進行誤差分析。

（2）系統(tǒng)間比測：利用多波束和單波束系統(tǒng)在同一區(qū)域分別獲取水深數(shù)據(jù)，對同一坐標位置進行水深比較分析。

（3）三維模型比測：對2套系統(tǒng)各自獲得的水下地形數(shù)據(jù)，進行三維建模，對所建立的模型進行比較分析。

3.1 系統(tǒng)自符性比測

3.1.1 較平坦區(qū)域

選取潛壩工程下游附近較平坦區(qū)域，水下高程在－10.4～－11.9 m范圍內(nèi)，水深大概在12 m，同一測線上連續(xù)測量5次，選取54個點進行統(tǒng)計分析。結(jié)果見表1。

表1 平坦區(qū)域兩種系統(tǒng)自符性誤差統(tǒng)計表Table 1 Statistics of errors of the two sounding systems in flat area

3.1.2 壩體區(qū)域

由于是在水下拋投塑枕筑壩，壩體區(qū)域地形起伏較大。水下高程在－20.3～－12.3 m范圍內(nèi)，在同一測線上連續(xù)測量5次，對52個點進行統(tǒng)計分析。結(jié)果見表2。

表2 壩體區(qū)域兩種系統(tǒng)自符性誤差統(tǒng)計表Table 2 Statistics of errors of the two sounding systems in dam area

通過表1、表2，可以看出多波束測深系統(tǒng)的自符性在平坦和壩體區(qū)域的相對誤差小于0.5%的比例在94%以上，而雙頻測深系統(tǒng)在壩體區(qū)域的相對誤差小于0.5%的比例在81%以下。由此可見，多波束測深系統(tǒng)的自符性優(yōu)于單波束測深系統(tǒng)，特別是在水下地形起伏較大的區(qū)域，優(yōu)勢更加明顯。

雙頻測深儀在水下地形起伏較大的區(qū)域自符性較差的可能原因有：①雙頻測深系統(tǒng)在測量時沒有進行姿態(tài)補償。在測量時，船隨著水流搖晃，此時所測的水深不是換能器垂直向下的深度，而是一個傾斜的長度。在地形起伏較大的區(qū)域，更容易造成偏差。②雙頻測深系統(tǒng)換能器的波束角大于多波束的波束角，在水底的波束“腳印”較大，1.5°波束在垂直下方的“腳印”為0.5 m［1］，在較大的“腳印”中，只獲取一個簡單的深度值，會加大測量誤差。

3.2 系統(tǒng)間比測

在長江鎮(zhèn)揚河段和暢洲左汊潛壩工程范圍內(nèi)，選取100 m×600 m的一塊區(qū)域，采用多波束進行全覆蓋掃測，雙頻測深儀沿斷面CS0＋800、CS0＋850和CS0＋900進行測量，抽取兩者原始數(shù)據(jù)中坐標接近的50個測點（X，Y相差不超過0.4 m）水深進行比較，對照成果精度在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，進行相對誤差統(tǒng)計，兩種測深技術比測結(jié)果見表3，系統(tǒng)間相對誤差絕對值統(tǒng)計表見表4，兩種測深技術比測局部地形圖見圖2。

表3 兩種測深技術比測結(jié)果Table 3 The comparison of results between the single beam and multi-beam sounding technologies

表4 系統(tǒng)間相對誤差絕對值統(tǒng)計表Table 4 Statistics of relative errors between the single beam and multi-beam sounding technologies

兩種測深技術比測結(jié)果顯示大部分點之間相對誤差控制在 1.0%以內(nèi)，而 1.0% ＜δ≤5.0%的點主要出現(xiàn)在壩體區(qū)域（地形起伏較大），極少數(shù)點的相對誤差大于5.0%。可能原因是雙頻測深系統(tǒng)在測量時沒有進行姿態(tài)補償。測量時，船在很小的晃動下，由于水下地形起伏較大，會引起較大的測量誤差，因此系統(tǒng)間相對誤差較大的數(shù)據(jù)絕大部分出現(xiàn)在壩體區(qū)域。

3.3 三維模型比測

在長江鎮(zhèn)揚河段和暢洲左汊潛壩工程區(qū)域，分別用多波束和雙頻測深儀進行測量，然后在Sufer中建立三維模型，對模型進行比對分析。

通過圖3、圖4對比分析，多波束全覆蓋掃描壩區(qū)三維模擬圖能夠比較清楚地反映出潛壩護坡區(qū)域、潛壩、下游附近的沖刷坑等水下情況，而雙頻測深儀所測的壩區(qū)三維圖的潛壩護坡區(qū)域、潛壩、下游附近的沖刷坑等水下情況比較模糊，棱角不清晰。

圖2 兩種測深技術比測局部地形圖（紅色為雙頻測深儀數(shù)據(jù)）Fig.2 Partial terrain map obtained by the two sounding technologies

圖3 多波束全覆蓋掃描壩區(qū)三維模擬圖Fig.3 Three-dimensional simulation diagram of the dam in multi-beam sounding technology

圖4 雙頻測深儀測量的壩區(qū)三維模擬圖Fig.4 Three-dimensional simulation diagram of the dam in double-frequency sounding technology

多波束對水下是進行全覆蓋掃描，而常規(guī)的單波束測深技術是按照一定間距的斷面進行測量，無法做到全覆蓋、無遺漏。因此，在根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行三維模擬時，多波束全覆蓋掃描的三維圖形能更細致、更全面和更準確地反映水下的實際情況。

4 結(jié) 語

（1）本次將多波束測深方法技術成功地應用于長江鎮(zhèn)揚河段和暢洲左汊潛壩工程測量，并為該技術在水下工程進一步開展工作，積累了工作經(jīng)驗，打下了堅實的基礎。

（2）多波束與單波束相比，具有高分辨率、高精度、全覆蓋的特點，且精確、高效、快捷、直觀的優(yōu)勢十分顯著。

（3）在水深位于0.5～4 m時，為了避免船體和多波束探頭與河底不明堅硬物碰撞，可用單波束測深技術配合多波束的測量。

（4）在使用多波束進行工作時，由于影響因素比較多，應針對所解決的問題的性質(zhì)及要求，在測量工作方法、技術及數(shù)據(jù)處理方法等方面采取相應的措施，才能取得良好的效果。

［1］ 李成剛，王偉偉，閻 軍，等.傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)與具有相干特點的多波束系統(tǒng)的研究［J］.海洋測繪，2007，

27（2）：70－80.（LI Cheng-gang，WANG Wei-wei，YAN Jun，et al.The study on traditional multibeam and interferometric multibeam［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2007，27（2）：70－80.（in Chinese））

［2］ 李家彪.多波束勘測原理技術與方法［M］.北京：海洋出版社，1999.（LI Jia-biao.Theory and method multibeam sounding system［M］.Beijing：Hydrographic Publishing，1999.（in Chinese））

［3］劉經(jīng)南，趙建虎.多波束測深系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.海洋測繪，2002，（5）：3－6.（LIU Jing-nan，ZHAO Jian-hu.The development of multi-beam sounding System［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2002，（5）：3－6.（in Chinese） ）

Application Comparison between Multi-beam Sounding Technology and Single-beam Sounding Technology in Underwater Engineering

ZHAO Gang1，WANG Dong-mei1，HUANG Jun-you1，WU Jie2
（1.Jiangsu Hydraulic Research Institute，Nanjing 210017，China；2.Nanjing Changjiang River Channel Management，Nanjing 210011，China）

Presently，the multi-beam sounding system is the most advanced apparatus in river underwater survey technology.By comparing measured results of multi-beam sounding system and single-beam sounding system，the article analyses the causes of error and precision for the two systems.It has been proved that multi-beam sounding system has distinct advantage in underwater engineering survey，and the test results provide a scientific evidence for the wide application of multi-beam sounding system.

multi-beam；double-frequency depth sounder；comparing measurement；error

P204

A

1001－5485（2010）02－0020－04

2009-01-08；

2009-02-24

趙 鋼（1975-），男，湖南株洲人，碩士研究生，主要從事水下測繪研究，（電話）025-86455646（電子信箱）zgac＠sina.com。

（編輯：羅玉蘭）