裴學(xué)軍，周迎奎，高 潔

（利津縣水利局，山東 利津 257400）

水下地形測(cè)量是工程測(cè)量中的一種特定測(cè)量，主要是測(cè)量江河、湖泊、水庫(kù)、港灣和近海水底點(diǎn)的平面位置和高程，用以繪制水下地形圖的測(cè)繪工作。傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法（如測(cè)深桿法、測(cè)深錘法、回聲測(cè)深儀法等）只能簡(jiǎn)單地獲取水深信息，對(duì)于河底的地形信息卻無能為力；聲吶系統(tǒng)和單波束測(cè)深系統(tǒng)一定程度上解決了水下地形的測(cè)量問題，但是在測(cè)量效率和測(cè)量精度上已經(jīng)無法滿足測(cè)量要求。多波束測(cè)深系統(tǒng)的發(fā)展很大程度上解決了水下地形測(cè)量的精度和效率問題，可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲取某水域詳細(xì)準(zhǔn)確地地形信息，是一種高精度、高效率的測(cè)量方法。

1　基本原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)能夠有效探測(cè)水下地形，得到高精度的三維地形圖。多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向水底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)水底地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，一次探測(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的水底被測(cè)點(diǎn)的水深值，從而能夠精確、快速地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出水底地形的三維特征。

2　應(yīng)用實(shí)例

使用國(guó)產(chǎn)MS-400淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)黃河下游某水域進(jìn)行實(shí)地探測(cè)，并使用專業(yè)的數(shù)據(jù)后處理軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模與顯色處理。

2.1　技術(shù)要求

1）平面控制：水域平面坐標(biāo)采用WGS84坐標(biāo)系，120°標(biāo)準(zhǔn)三度帶投影。

2）高程及水深基準(zhǔn)：采用作業(yè)時(shí)段水位作為高程基準(zhǔn)面。

2.2　系統(tǒng)組成

MS-400淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)由換能器探頭、聲吶甲板單元、換能器電纜、筆記本電腦及系統(tǒng)軟件等部分組成。換能器探頭內(nèi)部集成衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供高精度GNSS定位、艏向和三維姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出。聲納接口單元通過千兆以太網(wǎng)接口與主控電腦連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.3　主要儀器及軟件配置

1）MS-400淺水多波束測(cè)深儀。MS-400高頻淺水多波束測(cè)深儀主要面向內(nèi)河、港口、航道、海岸線等淺水領(lǐng)域應(yīng)用，擁有便攜式、高分辨率和高性能等特點(diǎn)，可將操作人員的現(xiàn)場(chǎng)工作減少到最小。內(nèi)置姿態(tài)儀，將聲學(xué)基陣與姿態(tài)測(cè)量集成于一體，免去了測(cè)量時(shí)安裝校準(zhǔn)的繁瑣過程，同時(shí)也兼容外部高精度姿態(tài)儀。

2）SVS1500表面聲速儀。SVS1500系列高精度表面聲速測(cè)量?jī)x采用了目前最好的“時(shí)間飛躍”技術(shù)進(jìn)行聲速測(cè)量，并結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，將聲速的測(cè)量精度達(dá)到0.05 m/s的世界主流水平。其主要技術(shù)指標(biāo)：聲速測(cè)量范圍為1 400~1 600 m/s（擴(kuò)展范圍可定制）；聲速測(cè)量分辨率為0.001 m/s；聲速測(cè)量精度為±0.03 m/s（反射面距離50 mm）；聲頻率為2 MHz；采樣速率（數(shù)據(jù)率）為最大30 Hz；溫度傳感器類型為PT1000鉑電阻溫度傳感器；溫度測(cè)量分辨率為0.001℃；溫度測(cè)量精度為±0.05℃。

3）數(shù)據(jù)采集軟件和導(dǎo)航軟件。HydroQuest數(shù)據(jù)采集軟件基于VS2010開發(fā)平臺(tái)開發(fā)，數(shù)據(jù)接口采用TCP/IP傳輸協(xié)議，軟件主要包括用戶工程文件管理，數(shù)據(jù)采集、解析、存儲(chǔ)、繪圖顯示，用戶與系統(tǒng)工作參數(shù)實(shí)時(shí)控制，采集數(shù)據(jù)回放控制四大功能模塊。

HydroNavi水上導(dǎo)航軟件是一款為海洋測(cè)繪、河道測(cè)量提供導(dǎo)航服務(wù)軟件。為海底地形測(cè)繪，河道地形測(cè)繪，水下工程施工等應(yīng)用提供完善的解決方案。

4）數(shù)據(jù)后處理軟件。Hypack軟件的測(cè)量模塊具有設(shè)置靈活，支持硬件多的特點(diǎn)；能向用戶提供高質(zhì)量的定位和測(cè)深數(shù)據(jù)，同時(shí)提供了強(qiáng)大的內(nèi)業(yè)編輯、繪圖和土方測(cè)量計(jì)算功能。軟件從大地測(cè)量轉(zhuǎn)換、測(cè)量設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)后處理直到最終測(cè)量成圖都實(shí)現(xiàn)了快速可靠，強(qiáng)大的繪圖引擎能夠以當(dāng)前所有格式的圖件作為背景文件來實(shí)現(xiàn)測(cè)線建立和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

2.4　數(shù)據(jù)采集與處理

1）儀器安裝。為實(shí)現(xiàn)對(duì)兩岸邊坡的全測(cè)量，多波束探頭采用傾斜安裝的方式固定于測(cè)量船右側(cè)。通過可調(diào)節(jié)安裝角度的轉(zhuǎn)接法蘭，實(shí)現(xiàn)多波束探頭向右側(cè)傾斜35°。

2）數(shù)據(jù)采集及處理。采用專業(yè)多波束數(shù)據(jù)處理軟件Hypack進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理流程主要包括：位置安裝偏差修正、聲速剖面改正、水位改正、剔除錯(cuò)誤“飛點(diǎn)”、TIN模型生成、數(shù)據(jù)合并、數(shù)據(jù)抽稀、輸出等過程。

2.5　試驗(yàn)結(jié)論

此次試驗(yàn)取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果，所獲取的水底地形數(shù)據(jù)可以真實(shí)的再現(xiàn)水下的地形信息，并且具有高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于江河、水庫(kù)、湖泊、海洋水下地形的測(cè)量。