湯小云 吳金才

【摘 要】本文結合在水下測量中的應用事例，用美國RESON公司生產的SeaBat 7125 多波束測深系統(tǒng)，在實際水下沉船、水下管道、跨江橋梁等工程中進行的水下掃床測量，簡要地論述了內業(yè)數據處理和三維DTM 模型的建立，為同類型水下地形測量提供指導依據。

【關鍵詞】水下掃床;多波束測深系統(tǒng);三維DTM 模型

0 概述

在經濟高速發(fā)展的今天，水利運輸得到了很大的發(fā)展，這為水運航道的維護提出了更高更快的要求;實際生產中，會遇到水下沉船、跨江橋梁、水下管道、跨江橋梁等情況，這些都為高精度的水下測量提出了新的課題：必須精確確定水下河床的地形及水下物體的位置和姿態(tài)，結合用美國RESON公司生產的SeaBat7125多波束測深系統(tǒng)，在以上工程實踐中的實際應用，通過數據處理，建立三維DTM 模型，均較清晰的反應了水下物體的姿態(tài)，為應用者設計和做出判斷，提供了準確的依據。

1 多波束系統(tǒng)

1.1 多波束系統(tǒng)簡介

SeaBat7125多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用水下聲納單元發(fā)射和接收脈沖聲波，聲波被河床或水中物體反射，部分被探頭接收，由聲波在水中的傳播時間與聲速的乖積即可計算出水深。該系統(tǒng)由高分辨率聲納系統(tǒng)、聲速探頭、水下聲納傳感器、全套數據采集軟件包PDS2000組成;其中400kHz聲納傳感器每次可同時采集512個水深信號;最大發(fā)射開角165° ;最大ping率達50Hz（±1Hz） 。這樣，它對水下地形測量是以一種全覆蓋的方式進行，它測量的水下地形是一個面。SeaBat7125多波束測深系統(tǒng)由基本的系統(tǒng)、輔助設備、數據實時采集處理系統(tǒng)PDS200和數據后處理軟件包四部分組成。

1.2 SeaBat8125多波束測量系統(tǒng)設備組成

RESON SeaBat8125超高分辯率聚焦多波束測深系統(tǒng)的組成見圖1。

圖1

1.2.1 RESON SeaBat 7125多波束探頭

RESON SeaBat 7125多波束探頭是該多波束測深系統(tǒng)的主要設備之一。探頭為雙頻合一探頭（200kHz or 400kHz），頻率自由轉換 ，實際工作中，操作員可根據水深、測量精度要求及聲納信號質量情況，選擇控制菜單，調節(jié)測量范圍、發(fā)射功率以及自動增益的大小及方式等相關參數，以期達到最佳接收信號的效果。

1.2.2 光纖羅經（Gyro）和運動傳感器（MRU）

光纖羅經可精確測定載體的真方位角，且工作初始化時間較短，開機約五分鐘后就可正常工作，;由于多波束測量系統(tǒng)是一種高精度的測量模式，平面（GPS）及水深測量（多波束探頭）設備在水下動態(tài)測量時姿態(tài)隨時變化，這就需要運動傳感器（MRU），實時測量載體的各種運動姿態(tài)，并把信息傳送給多波束測量采集系統(tǒng)，用來改正采集的數據，歸算成船體在平穩(wěn)狀態(tài)下的數據。本套SeaBat 7125多波束測量系統(tǒng)配置的光纖羅經Gyro和運動傳感器，合二為一體，它體積小，精度高。

1.2.3 GPS

多波束測量系統(tǒng)平面精確定位需要一套GPS全球定位系統(tǒng)設備。目前GPS差分定位有碼差分（RTCM、EDGPS、信標差分）和相位差分（RTK、LRK）兩種模式，作為多波束平面定位宜采用具有相位差分的GPS接收機為佳，結合測量單位具體情況，使用Leica SR1200雙頻GPS 的相位差分，一是可以提高多波束數據質量，二是局部范圍可以實現無驗潮水深測量。

1.2.4 聲速剖面儀

多波束作為聲納設備，由于聲波在水中介質中的傳播速度會隨著水中溫度、鹽度、壓力（深度）等條件的不同而變化，該系統(tǒng)配置一臺聲速剖面儀7125 SV2 ，安置在7125多波束探頭合適部位，測量中同步測量水體中的聲速剖面，傳送到數據實時采集處理系統(tǒng)PDS2000，實時用以精確改正多波束的測深值。

1.2.5 外業(yè)數據實時采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)由計算機及PDS2000多波束數據采集和實時處理/可視化軟件包組合而成，軟件包是基于windows7.0 操作環(huán)境的水下地形外業(yè)測量軟件包，具有多種功能，是目前國際上較為完善的的水下測量軟件包。與各種外圍設備的連接（各種不同型號的聲納系統(tǒng)、羅經、姿態(tài)傳感器、定位GPS等），組成一個功能強大的測量系統(tǒng)，完成測線的設計，包括橢球參數的基面轉換，采集存儲各種測量數據，記錄測量設備的工作狀態(tài)，進行相關數據的處理及改正，提供各種導航信息，以多種方式實時顯示設備工作狀態(tài)及測量數據。

1.2.6 數據后處理軟件包

PDS2000和 Caris7.1 后處理軟件包，可以處理大量的測量數據，特別是多波束測量數據，實現數據的清理、剔除錯誤，并根據給定參數進行原始數據的改正，然后對數據進行計算、描述和制圖。該軟件包可以生成測深數據圖、等高線圖、三維數字模型（DTM）圖、自動生成斷面圖，根據自定義的基準面計算方量或二次測圖間的沖淤變化量。并能夠輸入輸出多種常用格式的測量成果。

1.3 SeaBat7125多波束測量系統(tǒng)主要設備的精度指標

Reson Seabet 7125 聲納系統(tǒng)

工作頻率：200kHz or 400kHz

測深分辨率 6 mm，在200kHz 最大ping率：50Hz（±1Hz）

發(fā)射波束寬：1°（±0.2°）在400kHz，2.2°（±0.5°） 在200kHz

接收波束寬：0.54°（±0.03°） at 400kHz，1.1°（±0.05°）

Octans光纖羅經和運動傳感器技術指標

①航向 穩(wěn)態(tài)精度：±0.1 動態(tài)精度 ±0.2 分辯率±0.01

②縱搖/橫搖 動態(tài)精度：0.01

③升沉/橫擺/縱擺 精度：5cm

7125 SV2聲速剖面儀技術指標

量程：1400-1550m/s ?響應時間：<1ms

量程：-2 - +35 響應時間：<1.5s

Leica SR1200雙頻RTK GPS接收機

動態(tài)測量 水平精度過 10mm±1.0ppm

垂直精度 20mm±1.0ppm

點位更新速率：20HZ 點位輸出時延：<0.03s

1.4 多波束測深系統(tǒng)的優(yōu)勢

1.4.1 與傳統(tǒng)的單波束水下測量方式對比

現在水下測量領域，動態(tài)GPS平面定位配合單波束測深儀的單波束測量方式得到了廣泛的應用，用單波束施測水下地形，是在待測水域內按照合適的斷面間距勻布設斷面，測量結束后，將斷面上的數據進行處理，得到分布均勻的測點和地形特征點，生成等值線采取直線插補的方法。其一，因采集的數據不夠多，特別是在相鄰的斷面間的地形特征點測量中被忽略，不能完全反映地形真實變化;其二，單波束測深儀的波束角一般在3°～8 °之間，對測量水深較深和地形變化較大的水域，單波束測深儀適時測量的水深本身就存在較大的誤差。這種方法在水下管道、跨江橋梁等精密工程測量中，單波束測深系統(tǒng)在使用上是有局限性的。

SeaBat 7125多波束測量系統(tǒng)的接受波束角最小達0.54°（±0.03°） ，并且以每秒1～50次（根據水深自動調整速率）的更新速率采集數據。這樣，它對水下地形測量是以一種全覆蓋的方式進行，它測量的水下地形是一個面，點位采集密度達每平方米為40～50點，這樣，在測量區(qū)域內，地形就能較真實的反映出來。

1.4.2 與早期多波束測量系統(tǒng)對比

早期多波束測量系統(tǒng)采用固定掃測角和垂直安裝模式進行水深測量，而SeaBat 7125多波束測量系統(tǒng)改進了固定掃測模式，它具有可變壓縮掃測角模式，及把正常模式下的135°或165° 掃測角，通過調節(jié)可以壓縮到合適的角度，來掃測重要水下目標，而掃測采集的水深信號仍然為512個，這樣就大大的提高了掃測精度;見圖2。另它還具有電子傾斜功能，在多波束探頭垂直安裝模式下，可以調節(jié)掃測方向傾斜-15° ～ +15°，這對一些掃測盲區(qū)（測量船不能到達的水域）具有重要意義，如碼頭、橋梁，航道邊坡水域，提高了作業(yè)效率;見圖3。 ? ? ? ? ? 圖 2

圖 3

綜上，RenSon SeaBat7125多波束測深系統(tǒng)在水下測量領域，精度和效率高，優(yōu)勢明顯。

2 項目水下地形測量

2.1 多波束測量系統(tǒng)設備的安裝

2.1.1 SeaBat 7125探頭的安裝

SeaBat 7125聲納（聲納換能器）是這套系統(tǒng)的主要設備，一般采用固定安裝方式，在專用測量船軸線的中前部預挖一方形孔，將探頭（聲速剖面儀7125 SV2安裝在多波束探頭上）安裝在方形孔中，一般通過螺紋絲桿來固定聲納探頭，聲納頭與安裝絲桿連接使用螺釘固定，以便于升降和拆卸。

2.1.2 光纖羅經和運動傳感器的安裝

光纖羅經和運動傳感器安裝在測船中軸線前部位置（前艙后部），并與測船中軸線保持平行，使用螺栓固定在測船上，保證了設備的穩(wěn)定。

2.1.3 GPS衛(wèi)星接收天線的安裝

接收天線安裝在測船頂部中間部位，其GPS衛(wèi)星接收天線上部沒有遮擋物，保證了接收衛(wèi)星的數量，以提高平面定位的精度。

所有設備完裝完畢，定義船體中心位置（COG），量取各設備相對于該中心的三維坐標。各設備安裝位置參數輸入后，調用圖形顯示畫面，檢查參數輸入正確無誤。

2.2 Leica ?SR1200雙頻RTK GPS接收機參考臺架設和水位觀測點聯測

平面定位使用GPS相位差分方式，使用 Leica ?SR1200雙頻RTK GPS接收機作參考臺，參考臺架設于測區(qū)邊沿合適的平面控制網點上。

高程控制用于水位觀測，由等級水準點通過高程聯測，接測至水邊合適位置上，在測量過程中，每半小時在水位觀測點上進行水位觀測，讀數讀至厘米，供內業(yè)水深數據改正用。

2.3 參數設置

多波束測量系統(tǒng)在工作前，必須設置有關參數，用于設備的連接、修正安裝偏差、獲得所需要的導航測量信息及用戶坐標系統(tǒng)。

2.4 系統(tǒng)安裝參數校正（Patch Test）

由于多波束系統(tǒng)是一套多傳感器系統(tǒng)，它同時接收聲納探頭、RTK-GPS、羅經、姿態(tài)傳感器信號數據，系統(tǒng)校正的作用是對多信號接收源的數據同步性、安裝位置、安裝角度和偏差進行校正試驗，每次聲納探頭的重新安裝，都要進行系統(tǒng)安裝參數校正測量，通過專用軟件，計算出校正參數，把算好的校正參數輸入到系統(tǒng)中，用于改正實際測量中的數據;7125多波束測深系統(tǒng)的校正包括以下幾種：橫搖偏差——roll、縱搖偏差——pitch、艏搖偏差——yaw。

2.5 多波束系統(tǒng)測量

在多波束測深系統(tǒng)外業(yè)數據采集的軟件環(huán)境下，利用測區(qū)的GPS控制網（點）成果，先進行測區(qū)的WGS-84坐標系和1954年北京坐標系的轉換參數計算（三參數法@X、@Y、@Z）;再把待測區(qū)原有水下地形圖轉換成外業(yè)數據采集環(huán)境的導航背景圖，根據測區(qū)水深情況及作業(yè)要求，編輯測區(qū)的計劃測線，一般順水流方向布設。

使用多波束系統(tǒng)對待測區(qū)進行掃測數據采集工作，進入SeaBat7125多波束測量系統(tǒng)外業(yè)數據采集界面，分別打開各項數據顯示窗口，在測量過程中，監(jiān)視各外圍設備的工作狀況、數據信號質量以及相關的測量信息，及時調整測船航向，控制聲納接收信號的各項參數。 實際測量中，在測區(qū)根據計劃測線、水深及測點的密度要求，測船按照設計的測線，對測區(qū)進行全覆蓋的測量;測量結束后，通過對已測區(qū)域進行簡單分析判斷，一般可以迅速找出水下有明顯特征地形的區(qū)域，外業(yè)測量時，對這些區(qū)域進行壓縮掃測角、電子傾斜等模式掃測，這樣可以保證外業(yè)采集到更多的數據。

2.6 內業(yè)制圖

多波束測深系統(tǒng)內業(yè)數據處理使用內業(yè)制圖軟件包為PDS2000和 Caris7.1 后處理軟件包，該軟件包可以處理超大量的水深測量數據，實現數據的清理、剔除錯誤，并根據給定參數進行原始數據的改正，內業(yè)處理軟件對每個波束經過各項改正后的水深數據，通過PDS2000軟件包經過水位改正，得到水深點的平面和高程數據，然后生成三維數字模型（DTM）圖。利用水深點的平面和高程數據，還可以形成等高線及水深注記，輸出多種常用格式的不同比例尺要求的測量成果。

3 應用實例

3.1 水下沉船掃測

在長江航道某處有一沉船，需對其進行掃床測量，確定沉船位置和沉船姿態(tài)，為制定相應處理方案提供依據。利用SeaBat 7125多波束測深系統(tǒng)，對區(qū)域按要求和前面的操作仔細測量后，再對沉船區(qū)域進行壓縮掃測，獲取更多的數據，經過對數據進行處理，然后生成三維數字模型（DTM）圖4：從三維數字模型（DTM）圖上，沉船船頭絞錨機和船尾駕駛頂棚依稀可見。

3.2 水下排污口掃測

某企業(yè)在長江岸線近岸水域有一排污口，受水流作用，該處水下地形有可能沖刷或淤積，為排污口的安全運行帶來隱患，必需對該排污口進行定期監(jiān)測，了解它的實際狀況，判斷其運行情況。依據前面的方法，經過對數據進行處理，然后生成三維數字模型（DTM）圖如5。

從三維數字模型（DTM）圖上，排污口及護樁形態(tài)完好，運行基本正常。

圖 4

圖 5

3.3 跨江橋梁橋墩掃測

長江流域有多座跨江橋梁，為了橋梁的安全運行，需要對橋梁橋墩進行多波束掃測，利用SeaBat 7125多波束測深系統(tǒng)，對長江上某處跨江橋梁進行掃測，對全區(qū)域按要求和前面的操作仔細測量后（若橋面較寬或水深稍淺，常規(guī)多波束測量，在橋面下方會有些盲區(qū)），再在橋梁上游和下游各進行一條電子傾斜模式的掃測（各傾斜15°），力爭橋梁下方GPS盲區(qū)的河床和橋墩都全覆蓋，經過對數據進行處理，生成三維數字模型（DTM） 圖6。

圖6

從三維數字模型（DTM）圖上，橋墩的姿態(tài)基本可見。

4 小結

通過用RESON ?SeaBat 7125 多波束測深系統(tǒng)在水下沉船、水下管道、跨江橋梁等工程測量實踐中的應用，這種測量方法具有測點多、測量精度高、測區(qū)全覆蓋等優(yōu)點，經過內業(yè)數據處理，測量成果多樣化，能滿足不同使用者的要求，在建立三維DTM 模型上，能較清楚地判斷出水下物體的姿態(tài)和水下河床的地貌特征，為相關使用者設計和做出判斷，提供了準確的依據。通過在這些工程實踐應用中得到了較好地驗證，為以后的同例水下地形測量提供了新的測量依據。

【參考文獻】

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[責任編輯：張濤]