劉一軍

（自然資源部第七地形測(cè)量隊(duì)，海南 ?？?570203）

0.引言

陸地地形圖的數(shù)據(jù)可通過(guò)衛(wèi)星定位系統(tǒng)直接測(cè)量，水下地形測(cè)量與陸地地形圖測(cè)量相比具有較大難度，難以直接獲取水底測(cè)量點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，在測(cè)量作業(yè)進(jìn)行中需架設(shè)測(cè)深系統(tǒng)，并同步使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，由此得出測(cè)量目標(biāo)區(qū)域的三維坐標(biāo)。單波束測(cè)深系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)是水下地形測(cè)量的主要方式，兩者分別運(yùn)用于內(nèi)河測(cè)量及海洋測(cè)繪中，兩者在測(cè)量工作進(jìn)行中具有自身特征，應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行相應(yīng)分析。

1.單波束測(cè)深系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)

本次研究中，單波束系統(tǒng)選擇HD－27型單波束測(cè)深儀，測(cè)量工作中的主要構(gòu)件包括換能器、內(nèi)置顯示器、外圍輔助傳感器、供電設(shè)備直流12V蓄電池等。多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量中運(yùn)用的設(shè)備主要為HydroBat多波束測(cè)深儀，測(cè)量工作中使用的設(shè)備主要包括帶法蘭盤的安裝支架、GNSS定位設(shè)備、輸出220V交流電的發(fā)電機(jī)、具有PDS2000采集軟件的計(jì)算機(jī)、表面聲速儀、帶10m電纜的鑄模換能器、姿態(tài)傳感器等。[1]

2.單波束測(cè)深系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)作業(yè)流程分析

單波束系統(tǒng)測(cè)量工作中主要運(yùn)用換能器垂直向下發(fā)生短脈沖聲波，在作業(yè)過(guò)程中，脈沖聲波觸到水底時(shí)出現(xiàn)反射，反射回波返回聲吶，并被換能器接收。單波束測(cè)深系統(tǒng)難以準(zhǔn)確記錄測(cè)線間點(diǎn)數(shù)據(jù)，主要是按照航線，以一定的時(shí)間或距離進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。單波束測(cè)量作業(yè)進(jìn)行中主要是沿著河道橫斷面進(jìn)行布設(shè)。

多波束測(cè)深系統(tǒng)采用與單波束測(cè)深系統(tǒng)一致的工作原理，通過(guò)聲波反射完成測(cè)量工作，兩者測(cè)量工作的差異性主要體現(xiàn)為多波束測(cè)深系統(tǒng)利用112個(gè)指向性正交的兩組換能器來(lái)完成信號(hào)發(fā)射與接收。多波束測(cè)深系統(tǒng)操作中，在船的正下方左側(cè)60°與右側(cè)60°進(jìn)行掃測(cè)，突破了單波束測(cè)量中只有一條測(cè)深線水深信息作業(yè)中的限制，革新了傳統(tǒng)作業(yè)方式，在一條測(cè)線中可收納多條水深信息，結(jié)合航船測(cè)量航跡構(gòu)成一條帶狀水深圖，以此對(duì)水下地形與地貌進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。[2]

3.單波束測(cè)深系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)具體分析

本次研究選擇某河的水下工程作為測(cè)深對(duì)象，該河道水下工程包括水下拋石、堤基防滲處理、河段整治、大型穿堤建筑物除險(xiǎn)加固等構(gòu)成部分，水下工程具有隱蔽性特征，不同河段的水文地質(zhì)條件、河勢(shì)情況等呈現(xiàn)一定的差異性，施工技術(shù)要求不一，給工程施工增加了一定難度。該河道某護(hù)底工程從0＋530m至1＋400m，工程采用1.9m×10.0m復(fù)合塑枕與1.2m×10.0m普通塑枕，內(nèi)充填江沙，進(jìn)行2－3層拋?zhàn)o(hù)，綜合厚度設(shè)置為2.4m，上游迎水面坡比為1∶2.5，壩頂寬10m，下游背水面坡比為1∶3。該地下工程（如圖1所示）：

圖1 該水下工程磁場(chǎng)測(cè)量仿真效果圖

本次研究選擇的河段為感潮河段，漲潮與退潮時(shí)間分別為3h、9h，漲潮時(shí)流速極快，最高達(dá)3.0m/s以上，汛期的水流量極大，最高可達(dá)8.5×104m/s。某處水深最高達(dá)－60m，水面寬1400m，水下地形地理?xiàng)l件較為復(fù)雜，給水下工程施工帶來(lái)較大難度，需對(duì)河道進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)深，準(zhǔn)確掌握工程河道的相關(guān)地理信息，以促進(jìn)水下工程的順利施工。測(cè)深中選擇潛壩工程下游附近相對(duì)平坦的區(qū)域，水下高程范圍約10.4－11.9m，水深約－12m，測(cè)量過(guò)程中在同一個(gè)測(cè)線上進(jìn)行5次

單波束測(cè)深系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程中優(yōu)勢(shì)明顯，設(shè)備構(gòu)成較簡(jiǎn)單，便于隨時(shí)攜帶，且安裝過(guò)程方便。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，要求對(duì)定位以及吃水位進(jìn)行重新確定與改正，經(jīng)過(guò)處理，軟件界面操作正常，可采用多種成果輸出方式[3]。但是單波束運(yùn)用存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確測(cè)量相鄰兩點(diǎn)之間的微地形，在精度要求較高時(shí)難以得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)生成圖形的過(guò)程中可能產(chǎn)生不夠真實(shí)的地形圖，尤其對(duì)測(cè)區(qū)邊界河口處等高線的測(cè)量表現(xiàn)明顯，測(cè)量數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象。

測(cè)量操作中可采用加密測(cè)線的處理方式，提升水下測(cè)量區(qū)域的精度，但是運(yùn)行中需投入較多的時(shí)間成本與人力成本[4]。多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量情況（如圖3所示）：

圖3 多波束測(cè)深系統(tǒng)水下測(cè)量情況

多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中具有復(fù)雜的外業(yè)作業(yè)處理方式及整體安裝過(guò)程，測(cè)量過(guò)程中要求連接多項(xiàng)設(shè)備，并嚴(yán)格運(yùn)用多種有效的連接方式，在連接作業(yè)完成后，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，嚴(yán)格參照J(rèn)T/T 790-2010《多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)要求》中的相關(guān)規(guī)定，測(cè)深開始前，需進(jìn)行必要的前提準(zhǔn)備，如，橫搖改正、艏向改正、時(shí)延改正、縱搖改正等。在實(shí)際測(cè)量工作中，要求結(jié)合實(shí)際測(cè)量工作需要，不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而得到最佳測(cè)量效果。

此種測(cè)量方式運(yùn)用中，外業(yè)測(cè)量工作效率較高，能實(shí)現(xiàn)測(cè)量工作的全覆蓋與全面測(cè)量，基本不會(huì)遺漏地形信息[5]。結(jié)測(cè)量，選取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)完成測(cè)量作業(yè)。單波束測(cè)深系統(tǒng)按照一定的間距進(jìn)行測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)全覆蓋、無(wú)遺漏；多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量采用全覆蓋掃描方式，是對(duì)單波束測(cè)深系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，能更加真實(shí)、客觀地反映水下真實(shí)情況，為決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)量時(shí)，單波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量情況（如圖2所示）：合多波束測(cè)深系統(tǒng)原理，測(cè)量作業(yè)進(jìn)行中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況及作業(yè)管理規(guī)范，制定作業(yè)流程圖，要求邊沿波束重疊度符合相關(guān)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，兩條計(jì)劃測(cè)線邊沿波束達(dá)到高于20%的重疊度。與單波束測(cè)深系統(tǒng)相比對(duì)，多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量中處理數(shù)據(jù)較多，整體數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜，要求精心選擇合適的數(shù)據(jù)完成作圖，操作要求較高。

圖2 單波束測(cè)深系統(tǒng)水下測(cè)量情況

4.單波束測(cè)深系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)照分析

本次測(cè)深研究中，選取地下水位較為平坦的一處位置，分別進(jìn)行單波束測(cè)深系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果得知：在#3組斷面數(shù)據(jù)分析中，同一坐標(biāo)中高程最大0.57m，最小0.19m。對(duì)10組數(shù)據(jù)分析對(duì)比可知：同一坐標(biāo)中最大高程與最小高程分別為0.95m、0.19m，整體數(shù)值平均相差0.35m。

通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：在同一坐標(biāo)點(diǎn)上，單波束測(cè)深系統(tǒng)得到與多波束測(cè)深系統(tǒng)相同的數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)際測(cè)量可見(jiàn)，兩種處理測(cè)量方式在實(shí)際測(cè)量中存在差異，單波束系統(tǒng)測(cè)量中有時(shí)出現(xiàn)相對(duì)較大的高差，相鄰兩點(diǎn)間的距離較遠(yuǎn)；多波束系統(tǒng)測(cè)量中，臨近高差及相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)間的距離較近。在實(shí)際測(cè)量中不易出現(xiàn)波動(dòng)幅度較大的高程，因此，此種方式在對(duì)水下地形高程測(cè)量中，可對(duì)連接點(diǎn)變化情況進(jìn)行分析，由此判斷高程測(cè)量的實(shí)際情況，分析測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。單波束系統(tǒng)測(cè)量中存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確判斷高程數(shù)據(jù)的可靠性。

5.單波束測(cè)深系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果分析

本次測(cè)量作業(yè)中，某＃3組斷面測(cè)深數(shù)據(jù)整合情況（如表1所示）：

表1 某#3組斷面測(cè)深數(shù)據(jù)整合

通過(guò)圖2、圖3對(duì)比分析可知：采用單波束測(cè)深系統(tǒng)能反映出河床整體的演變狀態(tài)，采用多波束測(cè)深系統(tǒng)處理方式得到的數(shù)據(jù)，則對(duì)河床的演變趨勢(shì)與形態(tài)進(jìn)行更為清晰而直觀地展示與表達(dá)，得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)更為密集。由圖2、圖3所知，105m等高線在大小與形狀表達(dá)上有所差異，主要是由于單波束測(cè)深系統(tǒng)運(yùn)用中僅能測(cè)量線上的點(diǎn)，難以準(zhǔn)確測(cè)量相鄰兩橫斷面間的點(diǎn)。地下水測(cè)量在水體流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，與陸地水測(cè)量存在較大差異，難以精準(zhǔn)測(cè)量每個(gè)特征點(diǎn)。

多波束測(cè)深方式與單波束測(cè)深方式相比，在對(duì)目標(biāo)物形狀、大小及高低變化情況的測(cè)量上具有明顯優(yōu)勢(shì)，能繪制出更加詳細(xì)精準(zhǔn)的等高線，真實(shí)還原水下地形地貌。

6.結(jié)束語(yǔ)

本次研究對(duì)比兩種測(cè)深系統(tǒng)作業(yè)流程及數(shù)據(jù)處理情況，通過(guò)對(duì)比得出以下測(cè)量結(jié)果：多波束測(cè)深系統(tǒng)能得到比單波束測(cè)深系統(tǒng)更密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)深作業(yè)中能精準(zhǔn)測(cè)量河床地形的高低與起伏變化情況，真實(shí)還原水下地形地貌。

（1）整體研究結(jié)果。本次研究對(duì)比兩種測(cè)深系統(tǒng)作業(yè)流程及數(shù)據(jù)處理情況，通過(guò)對(duì)比得出以下測(cè)量結(jié)果：多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量能得到比單波束測(cè)深系統(tǒng)更密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)深作業(yè)中能精準(zhǔn)測(cè)量河床地形的高低與起伏變化情況，真實(shí)還原水下地形地貌。

（2）單波束測(cè)深系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)比。單波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量?jī)H能反映帶狀河道的走向情況。多波束系統(tǒng)測(cè)量具有較高精度，測(cè)量作業(yè)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作帶來(lái)較大難度。其在淺灘地形測(cè)量中實(shí)施難度較大，不宜將其運(yùn)用于水深較淺區(qū)域。其在水深較深的地下測(cè)量中則具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其在水深大于-3m區(qū)域及小范圍測(cè)量作業(yè)中。

單波束測(cè)深系統(tǒng)在1次采集任務(wù)結(jié)束后，即要求進(jìn)行該項(xiàng)目比例尺的測(cè)圖工作，這與多波束系統(tǒng)測(cè)量工作存在一定差異，后者在完成1次采集任務(wù)后可結(jié)合水下地形的實(shí)際測(cè)量情況及具體項(xiàng)目的開展要求而設(shè)置相應(yīng)的比例尺，以此得出水下地形數(shù)據(jù)。

單波束測(cè)深系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量工作中往往使用不同的平臺(tái)，在淺水區(qū)測(cè)量作業(yè)中，應(yīng)避免測(cè)深設(shè)備的探頭碰撞到河底的物體，影響正常的測(cè)量工作，兩種測(cè)量方式對(duì)船型最低要求具有差異，單波束測(cè)深設(shè)備主要架設(shè)在沖鋒舟吃水較淺或0.4m吃水高度以上的小型船舶中，多波束測(cè)深系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行中要求架設(shè)在高于1m吃水高度的內(nèi)河船舶上，在具體作業(yè)過(guò)程中需符合相關(guān)作業(yè)要求。

（3）實(shí)際測(cè)量分析。若測(cè)量區(qū)域水深為-0.5～3.0m，應(yīng)使用單波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。單波束測(cè)深系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)分別具有各自的使用特征，在多個(gè)領(lǐng)域中均有應(yīng)用，例如，Sonic2026多波束測(cè)深系統(tǒng)在小浪底水利樞紐的應(yīng)用，無(wú)人船搭載雙頻單波束測(cè)深系統(tǒng)的河道水下地形三維模型構(gòu)建等。在實(shí)際測(cè)量工作中，多波束測(cè)深系統(tǒng)需使用較多的設(shè)備，設(shè)備的安裝過(guò)程較為復(fù)雜，在外業(yè)操作上較為繁瑣，這是其運(yùn)用的缺陷。單波束測(cè)深系統(tǒng)的使用較為便捷，安裝及調(diào)試過(guò)程較為簡(jiǎn)單。在具體測(cè)量工作中，需結(jié)合測(cè)量工作的具體要求選擇適宜的測(cè)量方式。