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        利用多波束測深儀及無人船等測量白石水庫

        2018-08-01 08:12:02裴洪超
        經(jīng)緯天地 2018年3期
        關(guān)鍵詞:白石聲速測區(qū)

        □ 裴洪超

        (遼寧省基礎(chǔ)測繪院,遼寧 錦州 121003)

        0.引言

        遼寧省大中型水庫,經(jīng)過多年的運行,庫區(qū)的地形、地貌都發(fā)生了很大變化,特別是水庫多年的淤積,對庫盆形態(tài)及庫容均產(chǎn)生了重大影響。為了摸清水庫現(xiàn)狀的淤積量和庫容參數(shù),為水庫的科學(xué)管理和調(diào)度提供重要依據(jù),在“十三五”期間按照制定的規(guī)劃需要對水庫水下地形進行系統(tǒng)而全面的測量。白石水庫1∶2000水下地形測量項目,通過采集內(nèi)陸水域水下地形數(shù)據(jù),并與已有陸地部分地形數(shù)據(jù)進行拼接,獲取陸地與水域完整的地形數(shù)據(jù),為環(huán)保、水利、漁業(yè)、交通等部門提供更豐富的水系地理信息,為相關(guān)部門開展水庫管理、飲用水調(diào)度、防洪減災(zāi)、河道清淤等工作提供有力的數(shù)據(jù)支持,促進遼寧省水資源保護和利用。

        1.白石水庫測區(qū)特點

        白石水庫位于遼寧省朝陽市境內(nèi)大凌河干流上,控制流域面積17649Km2。水庫總庫容1.645×109m3,其中防洪庫容 3.89×108m3,多年平均年調(diào)節(jié)水量5.28×108m3,現(xiàn)已成為朝陽、錦州、阜新三大城市居民飲用水的重要水源地。地理位置位于中緯度地帶,屬于溫帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫6.2~9.7℃。全年降水量509mm左右,全年無霜期153天左右。受季風(fēng)影響,降水集中在夏季,溫差較大,四季分明。

        我們對水庫進行了詳細(xì)地踏勘,以便更好地開展測量工作。白石水庫形狀為南北方向狹長,常年受季風(fēng)影響較大,是全省水庫中風(fēng)力最大、最多的水庫,在正常情況下每天都是中午開始起風(fēng)變大,只有半夜到上午風(fēng)力較小的一段時間適合工作。風(fēng)浪太大,對船的行駛造成的危險是非常大。

        水庫中下游依山而建,兩側(cè)溝溝岔岔很多,大多都是窄長的形狀,不利于大船在里面掉頭行駛;下游部分地方是漁業(yè)公司水產(chǎn)養(yǎng)殖和捕撈的區(qū)域,漁網(wǎng)較多,漁網(wǎng)若看不見,很容易被絞到掛機上,造成熄火;水庫上游和中游兩側(cè)淺水區(qū)域各有一片地形復(fù)雜的厡移民拆遷區(qū)域,水底留有居民區(qū)遺址,船只不能靠近。

        針對踏勘報告反映的測區(qū)實際情況,對不同的地形特點采用單波束、多波束和無人船聯(lián)合作業(yè)的模式,以達到更好完成任務(wù)的目的。

        2.多波束測深儀的應(yīng)用

        2.1 多波束測深系統(tǒng)工作原理

        多波束測深系統(tǒng)能夠有效探測水下地形,得到高精度的三維地形圖。其工作原理圖(如圖1所示)。

        多波束測深系統(tǒng)是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波,利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收,通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對水底地形的照射腳印,對這些腳印進行恰當(dāng)?shù)奶幚?,一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點的水深值,從而能夠精確、快速地測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,比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。

        多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優(yōu)點,它把測深技術(shù)從點、線擴展到面,并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖,特別適合進行大面積的水底地形探測。

        2.2 測區(qū)采用儀器及工作實施

        白石水庫的上游平均水深2m,下游平均水深20m,能夠滿足船的安全行駛區(qū)域,占整個水庫面積的75%,決定我們利用多波束測深儀進行水下地形測量。

        圖1 多波束測深儀工作原理

        我們采用的是最新購置的IMAGENEX DT101多波束測深儀,它是一款將發(fā)射換能器、接受換能器、姿態(tài)傳感器、表面聲速儀集成在一起的設(shè)備。結(jié)構(gòu)緊湊,僅需要外接雙天線GNSS接收機即可快速安裝進行測量。

        圖2 IMAGENEX DT101多波束測深儀

        按設(shè)計要求采用水下全覆蓋測量,測線方向平行于水流方向,測線間距依據(jù)水深而定。門限開角選用120度,測線的條帶寬度是水深的3.5倍,航線重疊覆蓋率為15%-30%。

        由于不同流域,不同水質(zhì)對聲速傳播產(chǎn)生影響不同,因此根據(jù)水庫分布情況,在水庫上游、中游和下游分別進行聲拋數(shù)據(jù)采集,在軟件中加入聲速改正值對數(shù)據(jù)進行聲速改正,提高水深數(shù)據(jù)測量精度。采用AML Micro.X SVP水下聲速剖面儀,對測量的水下聲速數(shù)據(jù)進行改正。

        2.3 問題及處理方法

        2.3.1 對邊緣波束異常的處理

        現(xiàn)象:多波束數(shù)據(jù)條帶編輯器里顯示邊緣波束發(fā)散或子區(qū)編輯里顯示邊緣波束發(fā)散。這種異常引起的子區(qū)編輯時,相鄰線符合差;子區(qū)移動時,同測線前向視圖中,水深有快速左右搖的現(xiàn)象。

        產(chǎn)生原因:多波束探頭安裝不牢固;姿態(tài)傳感器安裝位置不穩(wěn)定;各設(shè)備數(shù)據(jù)間沒有精確的時間同步。

        處理方法:改善探頭安裝情況,加固,下方增加支點等;選擇合適的姿態(tài)傳感器安裝位置,安裝牢固,測量時避免船的共振;檢查時間同步設(shè)置,連接線,GPS設(shè)置等。時延為常數(shù)時可用前面的方法處理。

        2.3.2 波束彎曲的處理

        現(xiàn)象:進行聲速改正后,在HIPS線編輯模式下,波束的前向視圖中波束彎曲較大。引起的問題是相鄰測線水深不符合,呈現(xiàn)交叉狀。

        產(chǎn)生原因:多波束換能器表面聲速錯誤;聲速剖面測量值不正確;測區(qū)聲速變化大。

        處理方法:在線模式中,進行聲速折射改正。

        經(jīng)過我們的努力,合理利用船只,根據(jù)天氣情況規(guī)避了風(fēng)大的時間段,保證船只在安全的環(huán)境下工作,按設(shè)計的航線控制好測量范圍,很好地完成了預(yù)定的測區(qū)面積。

        3.單波束測深儀的應(yīng)用

        3.1 單波束測深系統(tǒng)工作原理

        單波束測深系統(tǒng)回聲儀每次只能發(fā)射一束聲波,只能得到一個水深數(shù)據(jù)點。在測量一個區(qū)域的水下地形,須先根據(jù)出圖比例和規(guī)范要求,預(yù)先確定測點和測線的間距,再用水文船逐點進行測量,以此畫出地形等高線圖。

        3.2 測區(qū)采用儀器及工作實施

        針對白石水庫水深范圍0.8m-2m的區(qū)域以及水庫兩岸溝溝岔岔的區(qū)域,由于大船駛?cè)爰岸嗖ㄊ鴾y深儀不能正常展開,因此我們采用HD360單波束測深系統(tǒng)對這片區(qū)域進行水下地形測量。

        單波束測深儀安裝在裝有掛機的橡皮艇上。對于橡皮艇則先充滿氣,使其膨脹起來,然后用配件進行固定儀器設(shè)備,我們上船連接各線,將GPS、測深儀顯示器打開,進行測深儀處理軟件設(shè)置,完成測區(qū)范圍的測線布設(shè)控制。

        3.3 問題及處理方法

        問題:受魚網(wǎng)、水草的影響,魚網(wǎng)若看不見,很容易被絞到掛機上,造成熄火,水草造成測深儀多次回波。

        處理方法:在橡皮艇上坐三人,其中一人做最前面,時刻觀察水里是否存在魚網(wǎng);對于水草造成回波干擾,由另一工作人員進行調(diào)檔,往大調(diào),待顯示清晰為止。

        經(jīng)過我們的努力,合理利用船只,按設(shè)計的航線控制好測量范圍,很好地完成了整個水庫面積16%的測區(qū)范圍,解決了多波束測深儀不能展開利用的問題,高質(zhì)量完成了任務(wù)。

        4.無人測量船的應(yīng)用

        4.1 測區(qū)采用儀器及工作實施

        圖3 中海達iBoat BM1無人測量船

        白石水庫設(shè)計測量的區(qū)域0m至0.8m水深范圍的區(qū)域有9%,由于該區(qū)域大都是淺灘,還有兩處移民拆遷區(qū)域,行船危險也會對單波束測深儀造成損壞,因此采用中海達iBoatBM1無人測量船。無人測量船很好地解決了在白石水庫平穩(wěn)淺水區(qū)域,使用RTK直接測量水下三維坐標(biāo),效率太低;地質(zhì)崩塌區(qū)域測量,危險性很大;居民拆遷區(qū)域水下地形復(fù)雜等問題,提高了工作效率。利用架設(shè)基準(zhǔn)站,使用操控軟件控制無人船按設(shè)計的路線行駛,采集了淺灘區(qū)域及危險地形區(qū)域的數(shù)據(jù),快速高效地完成了最后整個區(qū)域的測繪任務(wù)。

        4.2 問題及處理方法

        現(xiàn)象:測深模擬信號跳點較多,無法處理。

        處理方法:若跳點數(shù)據(jù)出現(xiàn)在主測線中心位置,對此部分進行補測;若出現(xiàn)在岸邊位置,此時船停止不動,測深未停止記錄,將跳點部分直接刪除。

        5.結(jié)束語

        白石水庫由于復(fù)雜的地形環(huán)境,決定了單一的作業(yè)模式不能完全有效展開。單波束測深儀、多波束測深儀及無人測量船的聯(lián)合作業(yè)模式全面解決了白石水庫地域、地形特點的問題,設(shè)計區(qū)域的水下地形圖測量全部能夠在規(guī)定的時間內(nèi)高質(zhì)量的完成,獲取了水體覆蓋下高精度的1∶2000水底地形圖,能夠為漁業(yè)捕撈、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水利設(shè)施建設(shè)、水庫資源開發(fā)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和圖件。

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