李 明,梁東澤
(廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,南寧 530023)
多波束測深系統(tǒng)中設(shè)置了發(fā)射換能器陣列,能夠形成聲波并傳輸?shù)街付ㄎ恢?,到達(dá)水底,反射的聲波能夠被其它裝置獲取,即接收換能器陣列,結(jié)合發(fā)射和接收扇區(qū)指向的特征獲取信息,主要依據(jù)正交性掌握地形信息,對該過程形成的照射腳印分析,可以獲取大量測量點的水深值,因此可以確定水下目標(biāo)的信息,包括尺寸和變化情況等,便于人員掌握水底地形信息并以此為依據(jù)繪制三維模型。
多波束主機單元的作用是產(chǎn)生波束并實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換,最終獲取數(shù)字信號,分析處理該信號確定各項參數(shù),包括測量距離和時間間隔等。同時設(shè)置了大量的串行和同步鐘接口等,便于與傳感器連接并完成數(shù)據(jù)傳輸。主要借助網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)與工作站的通信。筆記本工作站中設(shè)置了控制軟件等,便于人員操作并呈現(xiàn)出各項信息數(shù)據(jù),同時可以完成這些信息的分析處理。
由于多波束測深工作時,是一個實時動態(tài)過程,定位設(shè)備與探頭在吃水線以下跟隨著船只的搖擺而有著小幅度擺動,需要各種傳感設(shè)備實時反應(yīng)出船只的狀態(tài),并將采集信息反饋到采集系統(tǒng),對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,并將其分類為處于穩(wěn)定狀態(tài)的船體數(shù)據(jù)。同時,多波束測量系統(tǒng)平面精確定位需要一套定位系統(tǒng)設(shè)備(見圖1),以此來確定測點位置,從而得到其坐標(biāo)。
圖1 慣導(dǎo)姿態(tài)定位設(shè)備
在多波束測量時,涉及到不同類型的聲速值。
(1)一種是換能器深度處聲速值,稱之為表層聲速,用于波束形成,需要使用表面聲速儀對表層聲速進(jìn)行實時測量,避免造成無法挽回的錯誤。聲速儀發(fā)出的聲速如果大于空氣中傳播的聲速,那么水下地形圖會呈現(xiàn)“凹形”;聲速儀發(fā)出的聲速如果小于空氣中傳播的聲速,那么水下地形圖會呈現(xiàn)“凸形”。根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果,聲速C與溫度T存在一定聯(lián)系,且存在明顯相關(guān)性。
(2)另一種是水體深度處聲速值,即聲速剖面,能夠確定波束點的各項參數(shù)從而確定水深等??紤]到深度改變的情況下,水溫會受到影響,因此聲速也會有所改變(見圖2),另一方面,如果介質(zhì)物理特性有所調(diào)整,聲線也會受到影響,傳播方向會相應(yīng)的調(diào)整,出現(xiàn)折射等現(xiàn)象,而折射程度與上述聲速變化率存在一定聯(lián)系。所以,聲線傳播過程中容易受到不同介質(zhì)的影響,尤其是分層介質(zhì),會產(chǎn)生多次折射現(xiàn)象。
圖2 深度誤差線
一般情況下,使用船舷懸掛式安裝,在這種狀況下,安裝支架通常分成固定部分和懸掛部分,都是按照預(yù)定方案進(jìn)行設(shè)計和制作的。固定部分焊接在船舷;懸掛部分用螺絲鉚緊,必要時,增加前、后、側(cè)拉索。多波束系統(tǒng)的水下?lián)Q能器必須無遮擋安裝,換能器前方的水體中不應(yīng)有氣泡產(chǎn)生。對所選擇使用的測量船只而言,換能器探頭安裝的最合適的位置是其前部接近龍骨的位置,其次才是船舷的一側(cè)。
在艙頂選取位置GPS天線,選取的位置衛(wèi)星通視良好、沒有干擾、布線符合規(guī)范。GPS 天線安裝在換能器的正上方,兩個天線的距離(基線長)建議大于2 m,小于5 m,兩個天線的位置可以根據(jù)凈空情況垂直或平行船龍骨軸線。安裝時盡量避免電纜通過艙口或窗口,所有的電纜都有最小彎曲半徑,保持最小彎曲半徑敷設(shè)。
甲板式姿態(tài)儀安裝的位置應(yīng)選取干燥的船艙,安裝的位置應(yīng)選取一個和船身貼合的地方固定,水平位置盡量的靠近水面,平面位置選取船的重心。布線盡可能避免從窗門進(jìn)入船艙,避開甲板通道,不與電線在一起。布線原則基本和GPS天線連接線一樣。
由于作業(yè)地點一般都在航道上,所以選取位置應(yīng)找到固定桌子平臺,并按照船只的搖晃程度適當(dāng)使用固定角鐵固定。接線時要注意接口的一一對應(yīng),切勿大力插拔,線纜均屬貴重物品,要注意使用時的維護(hù)。
考慮到多波束換能器實際安裝時難以保持水平,因此該器件與水平面會形成一定角度,主要是對比船只水平面,該角度主要作為縱搖偏差(pitch);該角度集中在縱向上,針對垂直方向,一般構(gòu)成了橫搖偏差(roll)。
在實時測量過程中,由于船體的運動導(dǎo)致?lián)Q能器與水平面之間也產(chǎn)生一個動態(tài)夾角,所以每一個橫搖角與縱搖角都包含一個動態(tài)分量和靜態(tài)分量。動態(tài)分量是因水波、海涌、風(fēng)浪等外界原因造成,可以通過姿態(tài)儀予以校正(見圖3);靜態(tài)分量是由于設(shè)備安裝造成的,即平時所說的橫搖偏角和縱搖偏角。
圖3 多波束校準(zhǔn)
兩天線安裝的指向與換能器指向可能存在偏差,這個偏差叫艏向偏差(heading)。
那板水庫是一座集防洪、灌溉、水力發(fā)電、城鎮(zhèn)供水及養(yǎng)殖等功能大(2)型水庫,水庫集雨面積490 km2,總庫容8.32 億m3,設(shè)計灌溉農(nóng)田3.5 萬畝。運用多波束測深系統(tǒng)對庫底地形進(jìn)行監(jiān)測,為完善水庫崩岸監(jiān)測體系提供重要的監(jiān)測手段。
收集整理那板水庫淤積物數(shù)據(jù),總結(jié)目前那板水庫淤積物的現(xiàn)狀問題,收集整理庫區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境和地形地貌特征,了解庫區(qū)監(jiān)測的重點難點,建立庫區(qū)四等平面、高程控制網(wǎng),將庫區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一到國家標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)框架下,并建立相應(yīng)等級的變形監(jiān)測基準(zhǔn)點、工作基點?;酒矫婵刂凭W(wǎng)不應(yīng)低于五等,重要水庫不應(yīng)低于四等?;靖叱炭刂凭W(wǎng)不應(yīng)低于四等。平面和高程控制網(wǎng)應(yīng)包括水庫最高蓄水位的淹沒、浸沒、塌岸和水庫淤積、回水發(fā)展可能影響到的地區(qū)。為地形圖測繪、斷面測繪、水位測量等提供坐標(biāo)、高程起算依據(jù),實現(xiàn)坐標(biāo)高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一,為后續(xù)各項監(jiān)測提供基準(zhǔn)點框架。
選擇在枯水季節(jié)測量,在總結(jié)現(xiàn)有那板水庫水下地形分布的基礎(chǔ)上,采用GNSS 設(shè)備與上述測深系統(tǒng)完成測量工作,獲取水下地形信息,包括橫斷面端點測量和縱橫斷面測量,基本保障水下每0.1 m2區(qū)域有點,密集的點形成了水下的點云圖,經(jīng)過去噪等處理后生成高度還原的水下地形三維模型和三維等深線、平面二維等深線、等高線,為庫容計算提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。其次,結(jié)合庫區(qū)安全運行管理和水質(zhì)優(yōu)化目標(biāo),以問題為導(dǎo)向,研究提出減少泥沙入庫和清除水庫淤積的措施等內(nèi)容,為同類水庫工程的水環(huán)境治理和防治積累資料和經(jīng)驗。測量比例尺為1∶1000,同時須測量水位高程。同一庫段測圖比例尺一經(jīng)選定不宜變動。經(jīng)過技術(shù)處理,繪制水下地形圖(見圖4)及建立水下三維模型(見圖5),實現(xiàn)首次完善和查看水庫建庫以來的真實地形地貌信息。
圖4 水下地形圖
圖5 水下三維模型
水下地形測量的重點是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,需要采取必要的措施,比如對儀器實時監(jiān)視,采集數(shù)據(jù)的信噪比,以及測量范圍。同時固定儀器的船舶需要勻速前行,根據(jù)現(xiàn)場的實際情況調(diào)整船速,避免收集到的每個原始數(shù)據(jù)文件過大,而導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況。若傳感器無法正常工作,需要停止測量工作,找出系統(tǒng)中存在的問題。如果回波信號質(zhì)量不滿足要求,需要改變發(fā)射和接收模式,調(diào)整各項參數(shù),從而提高多波束信號質(zhì)量。如果采集數(shù)據(jù)范圍較窄,數(shù)據(jù)不完整,導(dǎo)致測深結(jié)果精度不高時,應(yīng)采取補測等方式處理。
在實際測量時研究單波束測量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)具有一定特征,如數(shù)據(jù)點密度較高。能夠獲取水下目標(biāo)相關(guān)信息,包括尺寸等。以這些數(shù)據(jù)為依據(jù)繪制等深線,能夠準(zhǔn)確表示地形特征,查看其中包含的沙坡和石堆等。,
水文剖面測量一般是在水流速度變化處布設(shè),如轉(zhuǎn)彎處、寬庫區(qū)或者窄庫區(qū),間距在500~3000 m之間,能夠體現(xiàn)出縱橫方向的轉(zhuǎn)折變化,正確反應(yīng)庫底地形情況。宜兩岸埋設(shè)永久性固定斷面標(biāo)志,固定斷面標(biāo)志平面應(yīng)不低于二級圖根點精度,高程應(yīng)不低于五等水準(zhǔn)精度。每次監(jiān)測位置固定,不宜改動。采用北斗GNSS結(jié)合測深儀對斷面位置地形進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測斷面位置的地形變化,推算庫區(qū)淤積,同時進(jìn)行庫水位監(jiān)測,用于計算庫容。
在測量區(qū)域的關(guān)鍵部位設(shè)置剖面,使用相同的剖面樁進(jìn)行剖面測量。以1∶2000 的比例尺對固定剖面進(jìn)行對比測量,并繪制剖面圖。在處理測量數(shù)據(jù)時,主要對河流高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并以此為基礎(chǔ)繪制圖例,其中涉及到大量不同測量次數(shù)的剖面數(shù)據(jù)。用不同的顏色和線形表示不同監(jiān)測調(diào)查次數(shù)的剖面。根據(jù)剖面圖中的縱橫坐標(biāo)進(jìn)行對比分析,計算河堤水下地形的變化,得出結(jié)果。固定剖面對比圖見圖6,斷面位置示意圖見圖7。
圖6 固定剖面對比圖
圖7 斷面位置示意圖
那板水庫力爭打造為廣西壯族自治區(qū)“智慧化”管理的標(biāo)桿,需對水庫的各種基礎(chǔ)信息、數(shù)據(jù)全方面掌握,以利于以后的監(jiān)督、管理和維護(hù)。那板水庫雖已先后建設(shè)支撐水庫工程安全、防洪等業(yè)務(wù)管理的信息系統(tǒng),但沒有統(tǒng)籌兼顧各種信息系統(tǒng)的建設(shè),致使各類數(shù)據(jù)相互獨立,分散式存儲,存在數(shù)據(jù)壁壘和信息孤島現(xiàn)象,無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合和共享?;贐/S 構(gòu)架開發(fā)水庫監(jiān)測管理平臺(見圖8),全面融合激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、多波束測深數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù),根據(jù)水庫淤積的分布、演變情況,對不同水位下庫容的影響情況進(jìn)行分析、統(tǒng)計,自動生成各類圖表,形象生動地顯示庫區(qū)淤積情況和分布。數(shù)據(jù)平臺提供二次開發(fā)接入的接口,方便數(shù)據(jù)的互通互用,同時也可整合或納入其他平臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合和共享。
圖8 水庫監(jiān)測管理平臺
為了能夠?qū)δ前逅畮斓淖兓闆r進(jìn)行實時了解,那板水庫管理處每年都會對關(guān)鍵的崩岸段、河勢控制區(qū)域進(jìn)行水下地形監(jiān)控,監(jiān)控的距離達(dá)到了20 多公里,對水庫的監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行了主要的分析,并給出了那板水庫崩岸預(yù)警的基本資料。但是,在應(yīng)用過程中也會出現(xiàn)以下問題。
(1)由于多波束測距所需的資料非常龐大,而且后期的內(nèi)部加工工作比較繁瑣,人為的介入會導(dǎo)致加工的準(zhǔn)確性受到很大的影響。在水急水淺的地區(qū),這個系統(tǒng)的工作效率比較差,經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn):這個系統(tǒng)在深水(>3 m)區(qū)域的大比例尺、小范圍測圖方面,有著傳統(tǒng)的測深系統(tǒng)所不能相比的優(yōu)勢,但是它并不適合進(jìn)行淺水、小比例尺的測量[1]。
(2)考慮到多波束測深系統(tǒng)具有一定缺陷,如靈活性不高,安裝流程過于復(fù)雜,操作難度較高,對比單波束測深系統(tǒng),該系統(tǒng)耗費了大量的人力物力資源,人員需要完成外業(yè)操作和內(nèi)業(yè)處理等工作,工作效率較低[2]。
(3)多波束測深系統(tǒng)可能形成明顯的誤差,而且往往難以發(fā)現(xiàn)。多波束測深系統(tǒng)運行過程中容易受到各種因素的影響,如水流、系統(tǒng)參數(shù)和測船等。所以,在測量期間,應(yīng)合理設(shè)置各個設(shè)備的位置,加強質(zhì)量控制,做好精度評估工作,確保測量工作順利開展,提高測深精度。正確處理船舶測量時的吃水深度,測量船的橫搖縱搖對測量結(jié)果至關(guān)重要,應(yīng)加強測定。
(4)在數(shù)據(jù)后處理時,還需要重新對各種校正參數(shù)進(jìn)行核對,是否有人工輸錯或是因外界條件影響導(dǎo)致偏差。
近幾年,利用多波束水深測量技術(shù),收集了那板水庫崩岸區(qū)的水底資料,并進(jìn)行了觀測與對比,在此基礎(chǔ)上,探討崩岸區(qū)潰決及其預(yù)測方法,并對崩岸區(qū)進(jìn)行主動防護(hù),以保證水庫水位不會有較大的改變。按照水庫水位的變動特征,在洪峰之前和洪峰之后,增加對大壩的監(jiān)控次數(shù),并為收集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個特殊的地理資訊資料庫,為水庫水環(huán)境治理、水資源保護(hù)以及水工程建設(shè)與養(yǎng)護(hù)等方面的研究提供技術(shù)支撐。