李 明，梁東澤

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1 聲吶發(fā)射和接收單元

多波束測(cè)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(duì)該過(guò)程形成的照射腳印分析，可以獲取大量測(cè)量點(diǎn)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。

1.2 主機(jī)單元與筆記本工作站

多波束主機(jī)單元的作用是產(chǎn)生波束并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最終獲取數(shù)字信號(hào)，分析處理該信號(hào)確定各項(xiàng)參數(shù)，包括測(cè)量距離和時(shí)間間隔等。同時(shí)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(shí)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(xiàng)信息數(shù)據(jù)，同時(shí)可以完成這些信息的分析處理。

1.3 慣導(dǎo)姿態(tài)定位設(shè)備

由于多波束測(cè)深工作時(shí)，是一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)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(dòng)，需要各種傳感設(shè)備實(shí)時(shí)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(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并將其分類(lèi)為處于穩(wěn)定狀態(tài)的船體數(shù)據(jù)。同時(shí)，多波束測(cè)量系統(tǒng)平面精確定位需要一套定位系統(tǒng)設(shè)備（見(jiàn)圖1），以此來(lái)確定測(cè)點(diǎn)位置，從而得到其坐標(biāo)。

圖1 慣導(dǎo)姿態(tài)定位設(shè)備

1.4 聲速儀

在多波束測(cè)量時(shí)，涉及到不同類(lèi)型的聲速值。

（1）一種是換能器深度處聲速值，稱(chēng)之為表層聲速，用于波束形成，需要使用表面聲速儀對(duì)表層聲速進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，避免造成無(wú)法挽回的錯(cuò)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(huì)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(huì)呈現(xiàn)“凸形”。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)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(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)從而確定水深等?？紤]到深度改變的情況下，水溫會(huì)受到影響，因此聲速也會(huì)有所改變（見(jiàn)圖2），另一方面，如果介質(zhì)物理特性有所調(diào)整，聲線也會(huì)受到影響，傳播方向會(huì)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(guò)程中容易受到不同介質(zhì)的影響，尤其是分層介質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生多次折射現(xiàn)象。

圖2 深度誤差線

2 硬件設(shè)備安裝

2.1 支架與換能器安裝

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(jì)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(shí)，增加前、后、側(cè)拉索。多波束系統(tǒng)的水下?lián)Q能器必須無(wú)遮擋安裝，換能器前方的水體中不應(yīng)有氣泡產(chǎn)生。對(duì)所選擇使用的測(cè)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)。

2.2 GPS天線與姿態(tài)儀安裝

在艙頂選取位置GPS天線，選取的位置衛(wèi)星通視良好、沒(méi)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(gè)天線的距離（基線長(zhǎng)）建議大于2 m，小于5 m，兩個(gè)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(shí)盡量避免電纜通過(guò)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(gè)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(mén)進(jìn)入船艙，避開(kāi)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。

2.3 主機(jī)安裝

由于作業(yè)地點(diǎn)一般都在航道上，所以選取位置應(yīng)找到固定桌子平臺(tái)，并按照船只的搖晃程度適當(dāng)使用固定角鐵固定。接線時(shí)要注意接口的一一對(duì)應(yīng)，切勿大力插拔，線纜均屬貴重物品，要注意使用時(shí)的維護(hù)。

3 多波束校準(zhǔn)

考慮到多波束換能器實(shí)際安裝時(shí)難以保持水平，因此該器件與水平面會(huì)形成一定角度，主要是對(duì)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(duì)垂直方向，一般構(gòu)成了橫搖偏差（roll）。

在實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程中，由于船體的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q能器與水平面之間也產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)夾角，所以每一個(gè)橫搖角與縱搖角都包含一個(gè)動(dòng)態(tài)分量和靜態(tài)分量。動(dòng)態(tài)分量是因水波、海涌、風(fēng)浪等外界原因造成，可以通過(guò)姿態(tài)儀予以校正（見(jiàn)圖3）；靜態(tài)分量是由于設(shè)備安裝造成的，即平時(shí)所說(shuō)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(gè)偏差叫艏向偏差（heading）。

4 應(yīng)用實(shí)例

那板水庫(kù)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(kù)，水庫(kù)集雨面積490 km2，總庫(kù)容8.32 億m3，設(shè)計(jì)灌溉農(nóng)田3.5 萬(wàn)畝。運(yùn)用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)庫(kù)底地形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為完善水庫(kù)崩岸監(jiān)測(cè)體系提供重要的監(jiān)測(cè)手段。

4.1 建立測(cè)區(qū)控制網(wǎng)

收集整理那板水庫(kù)淤積物數(shù)據(jù)，總結(jié)目前那板水庫(kù)淤積物的現(xiàn)狀問(wèn)題，收集整理庫(kù)區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境和地形地貌特征，了解庫(kù)區(qū)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)難點(diǎn)，建立庫(kù)區(qū)四等平面、高程控制網(wǎng)，將庫(kù)區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)框架下，并建立相應(yīng)等級(jí)的變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)?；酒矫婵刂凭W(wǎng)不應(yīng)低于五等，重要水庫(kù)不應(yīng)低于四等。基本高程控制網(wǎng)不應(yīng)低于四等。平面和高程控制網(wǎng)應(yīng)包括水庫(kù)最高蓄水位的淹沒(méi)、浸沒(méi)、塌岸和水庫(kù)淤積、回水發(fā)展可能影響到的地區(qū)。為地形圖測(cè)繪、斷面測(cè)繪、水位測(cè)量等提供坐標(biāo)、高程起算依據(jù)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)高程基準(zhǔn)的統(tǒng)一，為后續(xù)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)提供基準(zhǔn)點(diǎn)框架。

4.2 水下地形測(cè)量

選擇在枯水季節(jié)測(cè)量，在總結(jié)現(xiàn)有那板水庫(kù)水下地形分布的基礎(chǔ)上，采用GNSS 設(shè)備與上述測(cè)深系統(tǒng)完成測(cè)量工作，獲取水下地形信息，包括橫斷面端點(diǎn)測(cè)量和縱橫斷面測(cè)量，基本保障水下每0.1 m2區(qū)域有點(diǎn)，密集的點(diǎn)形成了水下的點(diǎn)云圖，經(jīng)過(guò)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(kù)容計(jì)算提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。其次，結(jié)合庫(kù)區(qū)安全運(yùn)行管理和水質(zhì)優(yōu)化目標(biāo)，以問(wèn)題為導(dǎo)向，研究提出減少泥沙入庫(kù)和清除水庫(kù)淤積的措施等內(nèi)容，為同類(lèi)水庫(kù)工程的水環(huán)境治理和防治積累資料和經(jīng)驗(yàn)。測(cè)量比例尺為1∶1000，同時(shí)須測(cè)量水位高程。同一庫(kù)段測(cè)圖比例尺一經(jīng)選定不宜變動(dòng)。經(jīng)過(guò)技術(shù)處理，繪制水下地形圖（見(jiàn)圖4）及建立水下三維模型（見(jiàn)圖5），實(shí)現(xiàn)首次完善和查看水庫(kù)建庫(kù)以來(lái)的真實(shí)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(cè)量的重點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)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(duì)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)視，采集數(shù)據(jù)的信噪比，以及測(cè)量范圍。同時(shí)固定儀器的船舶需要?jiǎng)蛩偾靶?，根?jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況調(diào)整船速，避免收集到的每個(gè)原始數(shù)據(jù)文件過(guò)大，而導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況。若傳感器無(wú)法正常工作，需要停止測(cè)量工作，找出系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。如果回波信號(hào)質(zhì)量不滿(mǎn)足要求，需要改變發(fā)射和接收模式，調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，從而提高多波束信號(hào)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(cè)深結(jié)果精度不高時(shí)，應(yīng)采取補(bǔ)測(cè)等方式處理。

在實(shí)際測(cè)量時(shí)研究單波束測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)具有一定特征，如數(shù)據(jù)點(diǎn)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。，

4.3 固定斷面測(cè)量

水文剖面測(cè)量一般是在水流速度變化處布設(shè)，如轉(zhuǎn)彎處、寬庫(kù)區(qū)或者窄庫(kù)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(kù)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(jí)圖根點(diǎn)精度，高程應(yīng)不低于五等水準(zhǔn)精度。每次監(jiān)測(cè)位置固定，不宜改動(dòng)。采用北斗GNSS結(jié)合測(cè)深儀對(duì)斷面位置地形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)斷面位置的地形變化，推算庫(kù)區(qū)淤積，同時(shí)進(jìn)行庫(kù)水位監(jiān)測(cè)，用于計(jì)算庫(kù)容。

在測(cè)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(cè)量。以1∶2000 的比例尺對(duì)固定剖面進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，并繪制剖面圖。在處理測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，主要對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)比分析，計(jì)算河堤水下地形的變化，得出結(jié)果。固定剖面對(duì)比圖見(jiàn)圖6，斷面位置示意圖見(jiàn)圖7。

圖6 固定剖面對(duì)比圖

圖7 斷面位置示意圖

4.4 水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)

那板水庫(kù)力爭(zhēng)打造為廣西壯族自治區(qū)“智慧化”管理的標(biāo)桿，需對(duì)水庫(kù)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(kù)雖已先后建設(shè)支撐水庫(kù)工程安全、防洪等業(yè)務(wù)管理的信息系統(tǒng)，但沒(méi)有統(tǒng)籌兼顧各種信息系統(tǒng)的建設(shè)，致使各類(lèi)數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，分散式存儲(chǔ)，存在數(shù)據(jù)壁壘和信息孤島現(xiàn)象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合和共享?；贐/S 構(gòu)架開(kāi)發(fā)水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)（見(jiàn)圖8），全面融合激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、多波束測(cè)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(kù)淤積的分布、演變情況，對(duì)不同水位下庫(kù)容的影響情況進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)生成各類(lèi)圖表，形象生動(dòng)地顯示庫(kù)區(qū)淤積情況和分布。數(shù)據(jù)平臺(tái)提供二次開(kāi)發(fā)接入的接口，方便數(shù)據(jù)的互通互用，同時(shí)也可整合或納入其他平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合和共享。

圖8 水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)

5 存在的問(wèn)題

為了能夠?qū)δ前逅畮?kù)的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)了解，那板水庫(kù)管理處每年都會(huì)對(duì)關(guān)鍵的崩岸段、河勢(shì)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(duì)水庫(kù)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了主要的分析，并給出了那板水庫(kù)崩岸預(yù)警的基本資料。但是，在應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題。

（1）由于多波束測(cè)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(huì)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(gè)系統(tǒng)的工作效率比較差，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：這個(gè)系統(tǒng)在深水（＞3 m）區(qū)域的大比例尺、小范圍測(cè)圖方面，有著傳統(tǒng)的測(cè)深系統(tǒng)所不能相比的優(yōu)勢(shì)，但是它并不適合進(jìn)行淺水、小比例尺的測(cè)量[1]。

（2）考慮到多波束測(cè)深系統(tǒng)具有一定缺陷，如靈活性不高，安裝流程過(guò)于復(fù)雜，操作難度較高，對(duì)比單波束測(cè)深系統(tǒng)，該系統(tǒng)耗費(fèi)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(cè)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(cè)深系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中容易受到各種因素的影響，如水流、系統(tǒng)參數(shù)和測(cè)船等。所以，在測(cè)量期間，應(yīng)合理設(shè)置各個(gè)設(shè)備的位置，加強(qiáng)質(zhì)量控制，做好精度評(píng)估工作，確保測(cè)量工作順利開(kāi)展，提高測(cè)深精度。正確處理船舶測(cè)量時(shí)的吃水深度，測(cè)量船的橫搖縱搖對(duì)測(cè)量結(jié)果至關(guān)重要，應(yīng)加強(qiáng)測(cè)定。

（4）在數(shù)據(jù)后處理時(shí)，還需要重新對(duì)各種校正參數(shù)進(jìn)行核對(duì)，是否有人工輸錯(cuò)或是因外界條件影響導(dǎo)致偏差。

6 結(jié)語(yǔ)

近幾年，利用多波束水深測(cè)量技術(shù)，收集了那板水庫(kù)崩岸區(qū)的水底資料，并進(jìn)行了觀測(cè)與對(duì)比，在此基礎(chǔ)上，探討崩岸區(qū)潰決及其預(yù)測(cè)方法，并對(duì)崩岸區(qū)進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)，以保證水庫(kù)水位不會(huì)有較大的改變。按照水庫(kù)水位的變動(dòng)特征，在洪峰之前和洪峰之后，增加對(duì)大壩的監(jiān)控次數(shù)，并為收集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)特殊的地理資訊資料庫(kù)，為水庫(kù)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。