宋亞宏，趙 卿，吳藝興

（黃委河南水文水資源局，河南鄭州450003）

1 概述

多波束測深系統(tǒng)是集定位、測深、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)記錄等一體的水下地形測量技術(shù)手段[1]，相比于傳統(tǒng)單波束測量技術(shù)，多波束具有高效、準(zhǔn)確、全覆蓋等優(yōu)點[2]，能夠?qū)崿F(xiàn)水下地形測量由傳統(tǒng)斷面法到面狀地形掃描的轉(zhuǎn)變[3]。小浪底水庫壩前漏斗是研究小浪底水庫泥沙沖淤變化的重要區(qū)域，文中結(jié)合多波束的優(yōu)勢特點及小浪底壩前漏斗實際測量工作經(jīng)驗，介紹了多波束的系統(tǒng)組成，并分析影響測深精度的因素，探討多波束在小浪底水庫中的綜合應(yīng)用。

2 多波束測量原理

多波束由換能器（聲吶探頭）、GPS、RTK、表面聲速儀、慣導(dǎo)（IMU）、RTA（水下模塊）、船載工作站、剖面聲速儀、后處理軟件等部件組成。

換能器主要由發(fā)射單元和接收單元組成的T型陣列，其中發(fā)射單元以140°的扇面發(fā)射波束，接受單元接受經(jīng)水底反射回來的波束；GPS作用是為多波束測量進(jìn)行定速定向，RTK是為多波束測量提供精確定位及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換信息，表面聲速儀實時測為多波束提供聲速改正信息，IMU實時記錄測量過程中換能器的姿態(tài)信息，并對多波束進(jìn)行實時改正，RTA將聲吶數(shù)據(jù)、表面聲速數(shù)據(jù)、姿態(tài)信息等進(jìn)行同步處理，船載工作站主要用于控制多波束測量過程及存儲測量數(shù)據(jù)，后處理軟件實時記錄多波束測量水下地形信息，并對測量結(jié)果進(jìn)行后期處理。

3 多波束的應(yīng)用

3.1 測線布設(shè)

小浪底水庫壩前漏斗是壩前長期泥沙沖淤造成的漏斗狀的區(qū)域，其范圍為距大壩4.2km內(nèi)。結(jié)合多波束存在波束開角及其掃描寬度與水深成正相關(guān)原理[4]，并結(jié)合小浪底壩前漏斗區(qū)的河道特性，測線布設(shè)為平行于河道，考慮到河道地形為中間深兩側(cè)淺特點，為了保證測線之間無遺漏，在測量過程中應(yīng)合理控制船速和發(fā)射功率，保證相鄰測線的重疊度，同時又兼顧測量效率。

3.2 誤差分析與處理

多波束測量誤差來源主要有系統(tǒng)誤差和偶然誤差，其中系統(tǒng)誤差是固定的，主要受到多波束各部件安裝誤差、吃水改正、聲速改正等的影響；偶然誤差是隨機(jī)的，主要受船速、姿態(tài)、風(fēng)浪、振動、鹽度、溫度等影響[5]。

為了提高測量精度，削弱測量數(shù)據(jù)中的誤差信息[6]，首先保證系統(tǒng)各部件之間安裝參數(shù)的準(zhǔn)確性，可以有效地控制安裝誤差。在測量前進(jìn)行多波束校正數(shù)據(jù)采集，利用校正數(shù)據(jù)可以有效地削弱由于姿態(tài)造成搖擺誤差和延遲誤差[7]。剖面聲速儀可以獲取不同水深聲吶傳播速度（圖1所示），利用獲取的聲速剖面數(shù)據(jù)，能有效地削弱由于聲速傳播及水溫變化引起的測量誤差。

圖1 聲速剖面圖

由圖1可以看出，在不同深度下，溫度不同，聲音的傳播速度是不一樣的，聲速的變化對水深測量的影響非常敏感，因此，通過聲速剖面數(shù)據(jù)能夠有效地削弱由于聲速不同造成的誤差，從而有效地提高測量精度。

3.3 測量結(jié)果

理論上多波束換能器必須水平安裝，由于船只受風(fēng)浪和動態(tài)航行及安裝條件限制，多波束換能器不可能完全處于水平狀態(tài)，換能器與理論水平面有一定的夾角存在，如表1所示。

表1 多波束姿態(tài)改正參數(shù)

從表1可以看出，安裝偏角引起的誤差超過規(guī)范的極限誤差，因此必須對多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)修正，保證獲取的水下地形數(shù)據(jù)真實可靠。利用聲速剖面數(shù)據(jù)多獲取的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行分層改正，從而獲取高精度的水深數(shù)據(jù)。

多波束獲取的是面狀點云數(shù)據(jù)，而在測量過程中受振動等環(huán)境因素的影響，多波束數(shù)據(jù)會產(chǎn)生大量的噪點數(shù)據(jù)，為了消除噪點數(shù)據(jù)，獲取真實的水下點云數(shù)據(jù)，需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，水深比對見表2。

由表2可以看出，經(jīng)過誤差改正及濾波處理以后獲取的點云數(shù)據(jù)精度能夠滿足水下地形測量的需求。

表2 水深比對 m

小浪底水庫壩前漏斗水下三維地形圖見圖2。

圖2 小浪底水庫壩前漏斗水下三維地形圖

由圖2可以看出，多波束測量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、全面地獲取小浪底水庫壩前漏斗的真實水下地形情況，相比于斷面內(nèi)插獲取的水下地形更加真實可信，精細(xì)化程度更高，對于水下地形情況的反映更為直觀。同時可以利用點云數(shù)據(jù)得到等深線圖、數(shù)字高程模型等多種數(shù)字成果，對改正后的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行深加工，可以獲得更加豐富的成果產(chǎn)品。

4 結(jié)論與探討

隨著多波束測量技術(shù)在小浪底水庫壩前漏斗水下地形測量中的推廣與應(yīng)用，能夠快速準(zhǔn)確地獲取高精度、高分辨的水下地形，從而有效地解決了推算小浪底水庫壩前漏斗沖淤變化的問題，為黃河進(jìn)行大空間、大時間尺度水沙聯(lián)合調(diào)度提供重要依據(jù)。

隨著多波束技術(shù)研究的發(fā)展，多波束技術(shù)逐步由海洋走向內(nèi)陸河道、水庫及湖泊，其測量成果不僅局限于獲取水下地形，同時也能配合傾斜攝影測量技術(shù)，同時建立陸地和水下三維模型，為以后黃河水沙關(guān)系的研究提供更為直觀的基礎(chǔ)資料。