向 亮

（廣東省水文局佛山水文測(cè)報(bào)中心，廣東 佛山 528000）

1 基本介紹

自 20 世紀(jì) 80 年代研制出世界上第 1 臺(tái)便攜式多波束測(cè)深儀以來(lái)，到現(xiàn)在已經(jīng)歷 4 次換代，R2 Sonic 2022 是基于第 5 代聲吶結(jié)構(gòu)的多波束測(cè)深系統(tǒng)，代表目前最先進(jìn)的測(cè)深系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，便于攜帶，適用于江河海洋地形掃描。該系統(tǒng)具有在線(xiàn)調(diào)頻功能，用戶(hù)可以有 20 多個(gè)工作頻率選擇使用；條帶覆蓋角度在線(xiàn)可調(diào)，在 10～160° 范圍內(nèi)，解決了碼頭、防波堤、大壩、橋樁或者橋墩等垂直面的檢測(cè)難題；高分辨率，擁有 256 個(gè)波束，波束角為 1.0°×1.0°。

2 同傳統(tǒng)法測(cè)量技術(shù)的對(duì)比

傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)是利用回聲測(cè)深儀的水聲換能器垂直向水下發(fā)射和接收回波，根據(jù)波束的往返時(shí)間及聲速確定水深；多波束測(cè)深系統(tǒng)是在傳統(tǒng)測(cè)深儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，能在與航跡垂直的平面內(nèi)1 次給出若干深度，獲得 1 條一定寬度的全覆蓋水深條帶[1]。為檢驗(yàn)多波束測(cè)深系統(tǒng)的性能，選擇一河道邊坡，使用多波束測(cè)深系統(tǒng)與傳統(tǒng)回聲測(cè)深儀進(jìn)行研究測(cè)量。

2.1 動(dòng)靜態(tài)水深比測(cè)

由于 R2 Sonic 2022 多波束測(cè)深系統(tǒng)采用 1.0°×1.0° 超窄波束角全覆蓋測(cè)量，數(shù)據(jù)詳細(xì)，在每個(gè)測(cè)區(qū)都有足夠的測(cè)點(diǎn)參與計(jì)算，保證了成圖的質(zhì)量，更能體現(xiàn)橫斷面細(xì)節(jié)起伏變化；傳統(tǒng)測(cè)深儀的測(cè)點(diǎn)間距過(guò)大，波束角較大，對(duì)水底地形的反應(yīng)比較粗糙，對(duì)一些微地形測(cè)量時(shí)容易產(chǎn)生較大深度誤差[2]。

動(dòng)態(tài)比測(cè)結(jié)果反映，10～18 m 的水深，不符值在 10 cm 以?xún)?nèi)；18～25 m 的水深，不符值在 20 cm以?xún)?nèi)。水深平均誤差為 0.10 m，綜合相對(duì)誤差為0.68%，滿(mǎn)足國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SL257-2000《水道觀測(cè)規(guī)范》“各類(lèi)測(cè)深方法及儀具的單項(xiàng)測(cè)深誤差，應(yīng)控制在 ±0.10 m 以?xún)?nèi)，綜合相對(duì)誤差不應(yīng)大于水深的1%”[3]的要求。

通過(guò)靜態(tài)比測(cè)，測(cè)深值無(wú)系統(tǒng)偏差，10～18 m的 119 個(gè)測(cè)深樣本，水深值誤差在 7 cm 以?xún)?nèi)，18～25 m 的 102 個(gè)測(cè)深樣本，水深誤差在 15 cm 以?xún)?nèi)，221 個(gè)靜態(tài)測(cè)深樣本平均測(cè)深誤差為 0.08 m；與測(cè)深儀所測(cè)水深的絕對(duì)誤差為 0.09 m，滿(mǎn)足國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SL257-2000《水道觀測(cè)規(guī)范》要求，可見(jiàn)多波速水下測(cè)量系統(tǒng)精度是可靠的。

2.2 數(shù)字地形圖對(duì)比

圖1 是多波束測(cè)量數(shù)字地形圖，圖 2 是傳統(tǒng)法測(cè)量數(shù)字地形圖，通過(guò)圖 1 和 2 對(duì)比，可見(jiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)深儀，多波束測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)密，能夠更精確地測(cè)出水下目標(biāo)物的大小、形狀和高低變化，繪制的等深線(xiàn)更詳細(xì)，也更真實(shí)地反映地形地貌特征。

圖1 多波束測(cè)量數(shù)字地形圖

圖2 傳統(tǒng)法測(cè)量數(shù)字地形圖

2.3 面積對(duì)比

R2 Sonic 2022 多波束測(cè)深系統(tǒng)可以在測(cè)量過(guò)程中根據(jù)實(shí)際環(huán)境調(diào)整系統(tǒng)頻率和扇面角，在水深不超過(guò) 50 m 的水域中，能保證測(cè)點(diǎn)距為 1 m 或更小；而傳統(tǒng)測(cè)深儀波束角固定且比較大，測(cè)點(diǎn)距只能勉強(qiáng)達(dá)到 5 m。利用傳統(tǒng)測(cè)深儀數(shù)據(jù)繪制了 5 m 點(diǎn)距的地形圖，用多波束數(shù)據(jù)按不同點(diǎn)距繪制了 1～4 m 的地形圖，分別建立 DTM 模型，計(jì)算不同等深線(xiàn)所圍面積，并計(jì)算相對(duì)誤差（傳統(tǒng)測(cè)深儀和多波束測(cè)深系統(tǒng)在不同等深線(xiàn)計(jì)算的面積差值，與多波束測(cè)深系統(tǒng)計(jì)算面積的百分比），具體如表1 所示。由表1可見(jiàn)隨著更細(xì)化的地形，面積相差越大，最大的接近 36%，說(shuō)明多波束能更全面地反映每個(gè)地形的細(xì)節(jié)情況。

表1 2 種方法面積計(jì)算對(duì)比表

3 在江河湖泊地形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 河道險(xiǎn)工險(xiǎn)段監(jiān)測(cè)及整治

珠江三角洲中下游地區(qū)河網(wǎng)密集分布，水勢(shì)復(fù)雜，近年河道下切變化大，給堤圍安全造成很大威脅。利用多波束高精確度、高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)河道進(jìn)行地形測(cè)量，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確直觀，為治理險(xiǎn)段提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。圖 3 為某險(xiǎn)段的水下地形圖，是典型的座彎沖頂、深坑迫岸地形，洪水后邊坡出現(xiàn)險(xiǎn)情。在提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，采取了拋石護(hù)岸整治工程措施，圖 4 險(xiǎn)段治理后水下地形現(xiàn)狀。

圖3 險(xiǎn)段治理前水下地形

圖4 險(xiǎn)段治理后水下地形

根據(jù)圖 3 和 4 的對(duì)比，直觀的圖像可反映治理后的效果，將幾條丁壩完整地體現(xiàn)出來(lái)。

根據(jù)原始數(shù)據(jù)繪制的數(shù)字地形圖如圖 5 所示，得到橫斷面邊坡比計(jì)算表如表2 所示，表明在連續(xù)50 m 范圍內(nèi)坡度趨緩了，這樣以數(shù)據(jù)和圖從多角度體現(xiàn)工程的效果，對(duì)工程的設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收起到關(guān)鍵作用。

圖5 數(shù)字地形圖

表2 邊坡對(duì)比表

3.2 水庫(kù)水下地形測(cè)量

利用多波束采用全覆蓋測(cè)量方式這一優(yōu)點(diǎn)，可獲得更精密的數(shù)據(jù)，能夠更加真實(shí)清楚地反映水庫(kù)水下情況，為庫(kù)容曲線(xiàn)的計(jì)算，評(píng)估水庫(kù)的滯洪、蓄洪能力提供依據(jù)。

圖6 為利用多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果繪制的南海區(qū)東風(fēng)水庫(kù)的水位庫(kù)容曲線(xiàn)圖，水下地形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)精度越高，計(jì)算的庫(kù)容越正確?？蔀樗畮?kù)的管理、清淤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

圖6 南海區(qū)東風(fēng)水庫(kù)的水位庫(kù)容曲線(xiàn)圖

3.3 水利應(yīng)急搶險(xiǎn)監(jiān)測(cè)

R2 Sonic 2022 多波束測(cè)深系統(tǒng)最大特點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到水下地形三維彩圖、直觀的云點(diǎn)圖。通過(guò) 3G 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，建立實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，把現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量軟件顯示信息（如多波束條帶圖、云點(diǎn)圖等）、船載攝像頭所拍攝的測(cè)區(qū)情況，以及測(cè)量得到的初步成果，通過(guò) 3G 網(wǎng)絡(luò)傳送給指揮部。遠(yuǎn)程監(jiān)控傳輸系統(tǒng)如圖 7 所示。

圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)控傳輸系統(tǒng)

水利應(yīng)急搶險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程傳輸現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)險(xiǎn)情動(dòng)態(tài)變化，可通過(guò)數(shù)字與三維模型分析計(jì)算沖淤量、橫斷面、邊坡等變化，為搶險(xiǎn)救災(zāi)制定決策，提供基礎(chǔ)資料，為快速制定搶險(xiǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)減少了水下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)程度。

3.4 河道演變趨勢(shì)研究

多波束具有導(dǎo)航軌跡存儲(chǔ)和回放功能，可對(duì)同一水域進(jìn)行多年對(duì)照測(cè)量。可提供高分辨率的水下地形圖、橫斷面圖、深泓圖和三維圖，能夠反映細(xì)節(jié)的變化，可做出河道變化、演變的研究。

圖8 是某河道 2004——2011 年的變化趨勢(shì)，圖中虛線(xiàn)是 2004 年等深線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)是 2011 年等深線(xiàn)，可見(jiàn)左岸原來(lái) -17 m 的等深線(xiàn)現(xiàn)已經(jīng)是擴(kuò)大到 -21 m，右岸處深坑面積擴(kuò)大，底部有所淤積。

圖8 等深線(xiàn)變化圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比 R2 Sonic 2022 多波束測(cè)深系統(tǒng)與傳統(tǒng)回聲測(cè)深儀的操作使用及測(cè)量效果，第 5 代多波束測(cè)深系統(tǒng)的便捷、高效、靈活、準(zhǔn)確等先進(jìn)性顯而易見(jiàn)，不僅在河道整治、應(yīng)急搶險(xiǎn)等方面得到應(yīng)用，在數(shù)字河道建設(shè)、電子航道、水下物探、橋梁施工等方面也起到非常重要的作用。近年來(lái)多波束技術(shù)迅速發(fā)展，在海洋、河道的應(yīng)用也日趨成熟。多波束的實(shí)效性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、高密度性、工作效率的高效性是以后多波束技術(shù)發(fā)展的前景[4]。

[1]劉經(jīng)南，趙建虎. 多波束測(cè)深及圖像數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2008: 27-32.

[2]劉經(jīng)南，趙建虎. 多波束測(cè)深系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].海洋測(cè)繪，2002, 22 (5) :3-6.

[3]譚良，全小龍，張黎明. 多波束測(cè)深系統(tǒng)在水下工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 全球定位系統(tǒng)，2009 (1): 38-42.

[4]鄒家忠，周剛炎，朱曉原，等. 水道測(cè)量規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2000: 22-23.