馬鄭海，林 蕩，李勝宣，羅文勝

(1.湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414000； 2.長(zhǎng)江洞庭湖水利事務(wù)中心，湖南 岳陽(yáng) 414000；3.岳陽(yáng)永安工程技術(shù)有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000； 4.岳陽(yáng)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 岳陽(yáng) 414000)

0 引 言

目前流經(jīng)湖南省的長(zhǎng)江水域均在岳陽(yáng)市境內(nèi)，包括荊江河段、城螺河段和界牌河段，全長(zhǎng)163 km。長(zhǎng)江岳陽(yáng)段年平均徑流量為2.04萬(wàn)m3，最大年徑流量為7.88萬(wàn)m3，該河段中的荊江門(mén)河段汛期最大水深達(dá)63 m，最大流速達(dá)4.27 m/s，且該河段彎道既多又急，平均約10 km一個(gè)彎道，彎曲半徑約為1 350 m，崩岸線(xiàn)比例高達(dá)62%。長(zhǎng)江中下游13個(gè)重要險(xiǎn)段，岳陽(yáng)市占了兩個(gè)，即下荊江河段和城陵磯以下的岳陽(yáng)河段，且兩河段均被列為重點(diǎn)守護(hù)段。近年來(lái)，政府加大了防洪大堤建設(shè)力度，特別是1998年長(zhǎng)江特大洪水之后，長(zhǎng)江護(hù)岸工程建設(shè)得到極大發(fā)展。

水下地形測(cè)量工作在長(zhǎng)江崩岸治理過(guò)程中擔(dān)任著重要角色，是長(zhǎng)江大堤修補(bǔ)與維護(hù)的前提和基礎(chǔ)[1]。傳統(tǒng)的測(cè)量手段主要采用全站儀、單波束測(cè)深儀等設(shè)備，借助人力以船舶為載體測(cè)量河水深度及河岸線(xiàn)地形。傳統(tǒng)方法普遍存在測(cè)量數(shù)據(jù)精度低、費(fèi)用高、效率低、點(diǎn)位分布不均勻等缺點(diǎn)，難以準(zhǔn)確獲取水下地形數(shù)據(jù)。而基于多波束系統(tǒng)的水下測(cè)量技術(shù)是一種新型水下測(cè)繪方法。該技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)水下數(shù)據(jù)采集與處理，為長(zhǎng)江崩岸治理、江河湖泊地形測(cè)量和碼頭測(cè)量等工程提供技術(shù)支撐。本文介紹了基于多波束系統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)在長(zhǎng)江中游荊江門(mén)河段水下地形中的應(yīng)用。

1 水下測(cè)量原理及方法

1.1 多波束測(cè)深原理

多波束測(cè)量技術(shù)是一種具有高效率、高精度和高分辨率的水下地形測(cè)量技術(shù)[2]。與傳統(tǒng)單波束測(cè)深技術(shù)相比較，多波束測(cè)深技術(shù)具有測(cè)量范圍大、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。它把測(cè)深技術(shù)從原先的點(diǎn)線(xiàn)狀擴(kuò)展到面狀，并進(jìn)一步發(fā)展到立體測(cè)圖，從而使水下地形測(cè)量技術(shù)發(fā)展到一個(gè)較高的水平[3]。多波束測(cè)量技術(shù)能夠?qū)λ碌匦芜M(jìn)行全覆蓋測(cè)量，具有同步測(cè)深點(diǎn)多、測(cè)量快捷、全覆蓋等特點(diǎn)，能完成常規(guī)方法無(wú)法完成的測(cè)量任務(wù)，尤其適用于大比例尺的測(cè)繪和特殊要求的水道地形測(cè)量等[4-5]。圖1為本次水下測(cè)量所用到海卓MS400P多波束測(cè)深系統(tǒng)設(shè)備。多波束測(cè)深技術(shù)主要利用安裝于船底或拖體上的聲基陣向與航向垂直的水底發(fā)射超寬聲波束，同時(shí)發(fā)射的波束對(duì)水底形成一個(gè)覆蓋式條帶，此條帶寬度由波束的發(fā)射開(kāi)角決定，而波束發(fā)射角由發(fā)射模式控制參數(shù)來(lái)決定[6]。船姿傳感器感知的船姿信號(hào)和發(fā)射模式信號(hào)一同傳給信號(hào)處理器，信號(hào)處理器根據(jù)這些信息來(lái)計(jì)算出發(fā)射脈沖信號(hào)和脈沖數(shù)據(jù)，然后這些數(shù)據(jù)被傳送到多通道變換器，形成多個(gè)波束信號(hào)，并發(fā)射出去[7]。其測(cè)量條帶覆蓋范圍為水深的2～10倍，與現(xiàn)場(chǎng)采集的導(dǎo)航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，繪制出高精度、高分辨率的三維數(shù)字點(diǎn)云圖像。

圖1 多波束測(cè)深系統(tǒng)探頭

1.2 數(shù)據(jù)采集處理方法

水下地形測(cè)量主要依托多波束測(cè)深系統(tǒng)[8]。經(jīng)過(guò)硬件設(shè)備安裝與軟件調(diào)試工作后，通過(guò)采集不同時(shí)段的水深聲波數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)一步濾波降噪，最終可得到水下地形點(diǎn)云圖，具體技術(shù)路線(xiàn)如圖2所示。

圖2 測(cè)量技術(shù)路線(xiàn)

1.3 精度分析驗(yàn)證方法

使用多波束測(cè)深系統(tǒng)獲得水下地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析與驗(yàn)證。本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的T檢驗(yàn)方法，T檢驗(yàn)主要用于樣本含量較小的對(duì)比試驗(yàn)，用來(lái)比較兩個(gè)樣本平均數(shù)的差異是否顯著。在實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)挑選出20組點(diǎn)云數(shù)據(jù)，取Z坐標(biāo)值與單波束測(cè)深儀所得數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，比較來(lái)自?xún)蓚€(gè)獨(dú)立總體的樣本平均數(shù)差異是否在規(guī)定范圍以?xún)?nèi)，由此判斷多波束數(shù)據(jù)的可靠性[9]。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程基本情況

長(zhǎng)江岳陽(yáng)段長(zhǎng)約163 km，在本次測(cè)繪考察中選取荊江門(mén)河段作為測(cè)量對(duì)象，圖3為測(cè)區(qū)示意圖。荊江門(mén)河段是長(zhǎng)江中游河床最深，水流流速最快，彎道最多、最急，崩岸線(xiàn)比例最大的地區(qū)[10]。此前并沒(méi)有太多準(zhǔn)確、詳細(xì)的地理信息數(shù)據(jù)，亟需通過(guò)多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)繪出精確的河道地形模型，為長(zhǎng)江崩岸治理提供支撐。

圖3 測(cè)量區(qū)域

2.2 測(cè)量實(shí)施情況

本文中的水下測(cè)量主要在汛期前和汛期后兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行，采用海卓MS400P多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)荊江門(mén)河段水下地形進(jìn)行測(cè)量，具體裝備設(shè)置見(jiàn)圖4，多波束系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，測(cè)量情況見(jiàn)表2。具體測(cè)量步驟如下。

(1) 在測(cè)量船船舷一側(cè)安裝固定支架，支架底段連接多波束探頭，多波束系統(tǒng)的連接線(xiàn)通過(guò)支架管道可連接定位天線(xiàn)與甲板單元，甲板單元與筆記本電腦連接。將所有設(shè)備連接好移動(dòng)電源，通電開(kāi)機(jī)。

(2) 硬件設(shè)備連接完成后，開(kāi)機(jī)調(diào)試軟件，應(yīng)用多波束測(cè)量軟件海測(cè)通，在調(diào)節(jié)大地測(cè)量參數(shù)及其他參數(shù)后即開(kāi)始測(cè)量。

圖4 多波束測(cè)深系統(tǒng)組成

表1 MS400P多波束測(cè)深儀主要技術(shù)指標(biāo)

表2 水下測(cè)量數(shù)據(jù)匯總

(3) 測(cè)量開(kāi)始時(shí)先進(jìn)行測(cè)區(qū)規(guī)劃，在本文中選取荊江門(mén)河段約1.5 km的測(cè)區(qū)范圍，隨后根據(jù)江水大致流速調(diào)節(jié)測(cè)量船船速，最大船速盡量控制在6節(jié)以?xún)?nèi)。

(4) 測(cè)量過(guò)程中需要進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量。在航行一段距離獲取到部分地形數(shù)據(jù)后，根據(jù)地形進(jìn)行航線(xiàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)航線(xiàn)選擇地形起伏波動(dòng)較大的地區(qū)，校準(zhǔn)之后繼續(xù)完成剩下區(qū)域的測(cè)量，直至測(cè)區(qū)地形的全覆蓋。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波

測(cè)量完成后獲得航線(xiàn)記錄數(shù)據(jù)即聲納數(shù)據(jù)[11]，將其導(dǎo)入進(jìn)數(shù)據(jù)處理軟件Hypack中轉(zhuǎn)換為地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)。此時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)受設(shè)備及環(huán)境影響包含許多噪點(diǎn)，需要進(jìn)行降噪濾波處理，使用軟件Hypack中的Hysweep模塊，經(jīng)過(guò)一級(jí)編輯、二級(jí)編輯后得到光滑的點(diǎn)云模型。圖5為降噪濾波后得到的不同角度的水下地形點(diǎn)云圖。

注：顏色代表深度，紅色代表深度最淺，藍(lán)色代表深度最深。

2.4 測(cè)量結(jié)果分析與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證利用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下測(cè)量所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，針對(duì)長(zhǎng)江荊江門(mén)河段的水下地形數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。

傳統(tǒng)水下地形測(cè)量的方法多為單波束測(cè)深系統(tǒng)打點(diǎn)測(cè)深[12]，將多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)與同時(shí)期單波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)(圖6)相對(duì)比，截取其中一段導(dǎo)入到Cloud Compare軟件中與多波束采集到的數(shù)據(jù)作對(duì)比，如圖7所示。

注：顏色代表深度，紅色代表深度最淺，藍(lán)色代表深度最深。

注：綠色點(diǎn)云區(qū)域顯示出兩時(shí)間段內(nèi)該水底區(qū)域地形變化較小，藍(lán)色和紅色點(diǎn)云區(qū)域表示由于江水的沖刷使得水底地形變化較大。

圖7可以看出多波束設(shè)備所測(cè)得的水底地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)相比于單波束測(cè)深測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)深度變化。根據(jù)兩者點(diǎn)云坐標(biāo)取Z坐標(biāo)軸上數(shù)值以及垂直深度變化數(shù)據(jù)并隨機(jī)篩選20組數(shù)據(jù)作定量分析，如表3所示。

表3 多波束測(cè)深與單波束測(cè)深數(shù)據(jù)選點(diǎn)對(duì)比

在深度變化數(shù)據(jù)中，平均數(shù)值約為1.05 m，中位數(shù)值約為0.68 m。因此，在長(zhǎng)江荊江門(mén)河段水底地形測(cè)量中，多波束測(cè)深系統(tǒng)與單波束測(cè)深所測(cè)得的地形平均差值為1.05 m，大部分的水底地形深度變化值約為0.68 m左右。

為了驗(yàn)證以上數(shù)據(jù)的可靠性，在多波束測(cè)深數(shù)據(jù)與打點(diǎn)測(cè)深數(shù)據(jù)中分別選取20個(gè)點(diǎn)，提取其中Z坐標(biāo)值進(jìn)行差異性分析，進(jìn)而推斷整體數(shù)據(jù)的差異性。對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行T檢驗(yàn)，T檢驗(yàn)的目的是利用來(lái)自?xún)蓚€(gè)總體的獨(dú)立樣本來(lái)推斷差異發(fā)生的概率，從而比較兩個(gè)總體均值的差異是否顯著。本實(shí)驗(yàn)中兩組樣本相互獨(dú)立，從一個(gè)總體中抽取一組樣本對(duì)從另一總體中抽取的另一樣本沒(méi)有任何影響[13]。T檢驗(yàn)的基本原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行T檢驗(yàn)后得到如表4所示結(jié)果。

表4 兩組獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果

由表4可得，由于t=0.928

另外，在軟件中分別計(jì)算多波束測(cè)深系統(tǒng)與單波束測(cè)深系統(tǒng)的點(diǎn)云密度，所得結(jié)果如圖8和圖9所示；表5為多波束與單波束系統(tǒng)在分別進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)的總體效益對(duì)比。

圖8 多波束測(cè)量所得點(diǎn)云密度分布

圖9 單波束測(cè)量所得點(diǎn)云密度分布

表5 多波束系統(tǒng)與單波束系統(tǒng)總體效益對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，基于多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量方法在水下地形測(cè)量領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。該方法所用到的多波束測(cè)深平臺(tái)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量方法展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為測(cè)量時(shí)間更短，效率更高，所用設(shè)備集成度更高，使用更方便，更能保障測(cè)量人員的人身安全，以及所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度更大、更精確。這些優(yōu)點(diǎn)也在長(zhǎng)江荊江門(mén)河段的地形測(cè)量中得到充分體現(xiàn)。利用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)江不同時(shí)期的水下地形進(jìn)行測(cè)量，得到長(zhǎng)江堤岸在不同時(shí)期的地形變化，可為長(zhǎng)江堤防修補(bǔ)與維護(hù)提供參考。