郭雁軍，關(guān)鵬舉，王棟

(1.洛陽規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司第一地理信息測繪院，河南洛陽 471000；2.開封市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，河南開封 475001)

GeoSwath條帶測深系統(tǒng)的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)

郭雁軍1?，關(guān)鵬舉1，王棟2

(1.洛陽規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司第一地理信息測繪院，河南洛陽 471000；2.開封市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，河南開封 475001)

介紹了GeoSwath條帶測深系統(tǒng)工作原理以及技術(shù)指標(biāo)和該設(shè)備的安裝與校核。以“三條測線法”為例，探討了各種誤差的來源及校準(zhǔn)方法。具體通過對時(shí)間延遲、偏航、橫搖、縱搖以及動(dòng)態(tài)吃水的誤差分析來探討GeoSwath條帶測深系統(tǒng)的誤差產(chǎn)生的根源和控制誤差的方法。結(jié)合在小浪底水庫水下地形測量中的具體操作，總結(jié)了作業(yè)經(jīng)驗(yàn)及GeoSwath條帶測深系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

GeoSwath條帶測深系統(tǒng)；誤差分析；校準(zhǔn)；經(jīng)驗(yàn)

1 GeoSwath條帶測深系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)概述

GeoSwath條帶測深儀由英國GeoAcoustics公司生產(chǎn)，其核心為相干聲吶測深技術(shù)，它是一種基于PC計(jì)算機(jī)的淺水多波束條帶測量系統(tǒng)，提供了10倍的水深、最大到600 m覆蓋。通過入水的V型換能器向左右兩側(cè)發(fā)射多個(gè)極窄的扇形聲學(xué)波束(見圖1)，在有效的范圍內(nèi)聲波遇水底反射被換能器接收，此過程可轉(zhuǎn)化為距離和角度值，回波的相位差也就被記錄下來，各種聲波經(jīng)改正后可以轉(zhuǎn)化成河底測點(diǎn)的垂直深度和橫向距離。在這一時(shí)刻，同一剖面上的河底深度分布就能顯示出來，再經(jīng)過測船的運(yùn)動(dòng)，就能獲得此航線上河底的三維變化情況。GeoSwath能記錄每條航線上河底的高低起伏位置，顧名思義稱之為“條帶”，并且所測的軌跡圖像能按照比例實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上，內(nèi)業(yè)通過軟件對相鄰條帶邊沿的重疊部分加以擬合，最終可形成完整的水下三維地形圖。

圖1 V型換能器

1.2 系統(tǒng)流程圖

GeoSwath條帶測深系統(tǒng)軟件的核心是主機(jī)，它與Windows操作系統(tǒng)集合在一起，在工作狀態(tài)時(shí)顯示器能實(shí)時(shí)顯示水下地形，并同步接收各種硬件數(shù)據(jù)。具體流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

1.3 系統(tǒng)設(shè)備組裝

V型換能器應(yīng)安裝在測船的中部側(cè)面，因其在水下受阻力較大，須在測船上焊接支架增加其穩(wěn)定性和安全性。

GPS－RTK坐標(biāo)和TSS(電羅經(jīng))提供的測船的航向數(shù)據(jù)都是通過串口數(shù)據(jù)線傳輸至系統(tǒng)主機(jī)，這兩種外接設(shè)備都安放在船艙內(nèi)。

MRU(姿態(tài)傳感器)和中心單波束則是直接安裝在V型換能器上，一起進(jìn)入水下工作，以便同步傳送三維姿態(tài)和對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，以完善系統(tǒng)的可靠性。

測船上需提供24V直流電和220V交流電，為避免意外斷電，建議增配UPS電源。

1.4 系統(tǒng)性能

GeoSwath條帶測深系統(tǒng)具體性能如表1所示。

系統(tǒng)性能表 表1

2 系統(tǒng)的校準(zhǔn)

GeoSwath條帶測深儀是由多個(gè)傳感器組成的發(fā)射接收呈扇形波束的復(fù)雜測深系統(tǒng)，而且在水上作業(yè)受外界條件影響很大，因此其測量誤差具有多來源的特點(diǎn)，為保證測量的精度和可靠性，在作業(yè)前要進(jìn)行誤差分析和校準(zhǔn)。

2.1 摩擦測試

在換能器入水前，啟動(dòng)系統(tǒng)可用手分別在換能器的左右兩個(gè)發(fā)射板上快速摩擦，觀察顯示器上傳輸?shù)膱D像信號(hào)，由此來判斷安裝是否正確。

2.2 靜態(tài)吃水

靜態(tài)吃水誤差直接影響測量精度，可在V型換能器入水后，待水面平靜時(shí)用鋼尺測量吃水深度，并在與水面相切處做上標(biāo)記，以便下次核準(zhǔn)。

2.3 系統(tǒng)誤差分析

對于每次新的安裝，外界硬件設(shè)備的關(guān)聯(lián)總會(huì)或多或少的改變，為保證測量數(shù)據(jù)的精度，要進(jìn)行校準(zhǔn)，現(xiàn)總結(jié)如下，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)誤差及校準(zhǔn)方法

(1)時(shí)間延遲

當(dāng)用時(shí)間標(biāo)記水深和位置值時(shí)，這是測量數(shù)據(jù)歷經(jīng)測深儀、導(dǎo)航設(shè)備之間的電子延遲。同步的時(shí)間系統(tǒng)應(yīng)保持一致性，根據(jù)以往校準(zhǔn)結(jié)果，時(shí)間延遲誤差改正數(shù)應(yīng)為大約在0 s～1 s。在小浪底庫區(qū)測驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)值是0.37 s。

(2)偏航

電羅經(jīng)的安裝方向與水下的V型換能器不平行(見圖4)，就出現(xiàn)了航向的偏差。此項(xiàng)誤差不僅影響平面坐標(biāo)，而且在傾斜的水底還會(huì)影響水深數(shù)據(jù)。因此在電羅經(jīng)安裝時(shí)應(yīng)把夾角控制在10°以內(nèi)，并長期固定在船艙的甲板上，通過校準(zhǔn)后此項(xiàng)誤差可被抵消。

圖4 偏航示意圖(俯視)

(3)橫搖和縱搖

由于測船受風(fēng)浪影響晃動(dòng)較大，導(dǎo)致測量時(shí)的相臨“條帶”銜接處的數(shù)據(jù)差別很大。原因在于姿態(tài)傳感器在測船往、返測時(shí)“條帶”邊沿重疊的公共部分所提供的三維姿態(tài)不相同，影響最終的擬合精度。測船的左右晃動(dòng)稱為橫搖，船頭船尾的傾斜稱為縱搖。如圖5、圖6所示。

圖5 橫搖示意圖(后視圖)

圖6 縱搖示意圖(側(cè)視圖)

(4)動(dòng)態(tài)吃水

動(dòng)態(tài)吃水也稱為升沉偏移，它直接影響測深結(jié)果。由于測船在水面上航行，吃水深度是隨水面波峰波谷的變化而變化，通過校準(zhǔn)可得出V型換能器的升沉量的改正數(shù)。以上4種常見的誤差都可通過“三條測線法”來得出改正數(shù)。

2.4 校準(zhǔn)方法

“三條測線法”是指在水上的一定區(qū)域(要求河底要有地形變化)，測量3條特征的測量線。測線長度控制在500 m以內(nèi)，V型換能器左右兩個(gè)發(fā)射板所發(fā)射和接收的聲波數(shù)據(jù)分別稱為“左舷”和“右舷”，左、右舷的發(fā)射寬度都控制在100 m。利用第二條返測的右舷軌跡完全壓蓋第一條往測的右舷軌跡，即測量數(shù)據(jù)重合50%，同樣第三條測線依次仿照(如圖7所示)。

采集數(shù)據(jù)后通過 “GeoSwath Calibrator”校準(zhǔn)軟件處理，把得出的改正參數(shù)輸入到系統(tǒng)主機(jī)中參與擬合計(jì)算，最終形成精確的DTM數(shù)字三維地形圖。

圖7 “三條測線”示意圖(俯視圖)

3 實(shí)際使用中的經(jīng)驗(yàn)

通過在小浪底庫區(qū)的長期使用，總結(jié)出以下測量經(jīng)驗(yàn):

(1)V型換能器和電羅經(jīng)的擺放位置要固定，否則校準(zhǔn)參數(shù)將無效；

(2)測船應(yīng)勻速行駛，速度控制在 8 km/h～12 km/h之間；

(3)數(shù)據(jù)采集時(shí)不應(yīng)使用倒車，在大角度急轉(zhuǎn)彎時(shí)可暫停記錄，待直行后再將缺少處補(bǔ)測上；

(4)根據(jù)水深不同，測量寬度范圍也應(yīng)及時(shí)調(diào)整，左、右舷的發(fā)射寬度設(shè)置在6倍～8倍水深之間；

(5)由于黃河泥沙淤積嚴(yán)重，可適當(dāng)調(diào)整脈寬和功率。底質(zhì)疏松，脈寬應(yīng)寬，水深愈深，功率應(yīng)愈大。

(6)相臨條帶的重疊是關(guān)鍵的問題。對任何測量，都應(yīng)測量整個(gè)區(qū)域，不留缺口，對于小浪底庫區(qū)來說，相臨條帶之間25%的覆蓋是可行的，35%～75%之間的覆蓋，會(huì)生成更好的結(jié)果。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)的水庫水下地形測量，一般均采用斷面法進(jìn)行，其根本原因在于觀測儀器一個(gè)周期只能采集一個(gè)水深數(shù)據(jù)。如采用地形法觀測，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因觀測成本太高而難以付諸實(shí)施。

GeoSwath條帶測深儀的引進(jìn)，一方面降低了庫區(qū)水下地形的成本，另一方面使大型水庫采用地形法測量變?yōu)榭赡埽饬x深遠(yuǎn)，同時(shí)為水庫數(shù)字化管理奠定了基礎(chǔ)。通過引進(jìn)先進(jìn)的測量儀器，應(yīng)用先進(jìn)的測繪科學(xué)技術(shù)對水庫水下淤積地形測量，累積泥沙淤積的基本資料，研究沖淤規(guī)律，為今后水庫的調(diào)度運(yùn)用提供科學(xué)、可靠的依據(jù)。

條帶測深系統(tǒng)是一種技術(shù)先進(jìn)的測深儀器，由于是條帶掃描測量，覆蓋了所有測量的范圍，采集點(diǎn)的密度增加，大大提高了水上測量的精度，也增強(qiáng)了地形圖的可靠性。但此系統(tǒng)硬件多，不易便攜，每安裝一次均要進(jìn)行校準(zhǔn)，較為麻煩，且只適合大型測船和寬廣水域上的使用，許多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及作業(yè)方法還有待在以后的測量作業(yè)實(shí)踐中總結(jié)和改善。

[1] 劉樹東.GEOSWATH條帶測深系統(tǒng)精度分析[J].中國港灣建設(shè)，2006，141

[2] 趙建虎.現(xiàn)代海洋測繪[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2008

[3] 潘正風(fēng)，楊正堯，程效軍等.數(shù)字測圖原理與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2004

[4] 王耀南.計(jì)算智能信息處理技術(shù)及其應(yīng)用[M].長沙:湖南大學(xué)出版社，1999

[5] 張鳳舉，王寶山.GPS定位技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1997

The Working Experience of GeoSwath Testing Depth System

Guo Yanjun1，Guan Pengju1，Wang Dong2
(1.Planning and Architectural Design Co.，Ltd.Luoyang No.1 Department of Measurement and Drawing Geographic Information，Luoyang，Henan Province，471000，China； 2.Kaifeng Planning Survey and Design Institute，Kaifeng 475001，China)

The working principle and technology indicators of GeoSwath testing depth system principle and the machine of installation and adjustment were introduction.The various sources of error and calibration were discussed through the example“three line”.The cause and control method of error of GeoSwath testing depth system were investigated specifically through latency，yaw，roll，pitch and dynamic heave.Combined with the specific operations of Xiaolangdi Reservoir underwater topographic survey and measurement，the working experience，strengths and weaknesses of GeoSwath testing depth system were summarized.

GeoSwath testing depth system；Error Analysis；Adjustment；Experience

2011—01—13

郭雁軍(1981—)，男，助理工程師，主要從事城市測繪及水下地形測量工作。

1672－8262(2011)05－126－03

P217

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