韓賢權(quán)，周 武，梁 俊，譚 勇

(長江科學院a.工程安全與災害防治研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心;c.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會經(jīng)濟建設中河道砂石資源的需求量日益擴大，受利益驅(qū)動，導致局部地區(qū)和局部河段無序采砂和非法采砂活動十分猖獗，甚至嚴重影響了河勢穩(wěn)定，極大地危害了河道的防洪安全和通航安全，同時也造成了國有礦產(chǎn)資源的流失。因此，必須采取多種措施，提高執(zhí)法水平和執(zhí)法效率，堅決打擊非法亂采濫挖行為。目前，我國的采砂監(jiān)管工作依據(jù)現(xiàn)有的河道采砂管理條例，從管理體制、管理機制以及許可程序和聯(lián)合執(zhí)法等方面，采取了一系列卓有成效的行政管理手段并加大了執(zhí)法力度，使一度薄弱的河道采砂管理工作得到了加強，一度猖獗的非法采砂活動得到了有效遏制，一度混亂的采砂秩序得到了根本扭轉(zhuǎn)，河道采砂管理工作取得了明顯的成效。然而，依靠現(xiàn)有監(jiān)管技術(shù)還遠遠不能達到有效控制砂石資源合理開采利用的目的，還需要河道采砂管理工作人員采取多種技術(shù)手段、定時定量地對河道采砂行為進行監(jiān)控，實現(xiàn)河道砂石資源利用的科學規(guī)劃，量化監(jiān)管工作有據(jù)可依。

本文從河道砂石資源優(yōu)化利用與采砂監(jiān)管技術(shù)的角度出發(fā)，提出一種基于多波束測深技術(shù)的區(qū)域河道采砂監(jiān)測技術(shù)，以達到周期性地監(jiān)測采砂量變化的目的，同時輔助管理者對河道砂石資源合理開采情況進行決策評價。

2 多波束水下測深系統(tǒng)

2.1 多波束測深系統(tǒng)的組成

多波束測深技術(shù)是現(xiàn)代水下探測領(lǐng)域的新興技術(shù)，它集成了現(xiàn)代空間測控技術(shù)、聲吶技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)等一系列高新技術(shù)，實現(xiàn)了對水下探測目標的高精度和高密度測量。本文用到的SeaBat 7125是目前世界上最先進、精度最高的多波束測深系統(tǒng)之一，它主要由OCTANS光纖羅經(jīng)和運動傳感器、聲速剖面儀、側(cè)掃圖像處理系統(tǒng)、多波束數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)(CARIS HIPS后處理軟件)、QTC Multiview底質(zhì)分類系統(tǒng)等共同組成。整個系統(tǒng)的組成見圖1。

圖1 多波束測深系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of multibeam sounding system

2.2 系統(tǒng)特點

(1)SeaBat 7125以帶狀方式進行測量，波束連續(xù)發(fā)射和接收，測量覆蓋程度高，對水下地形可100%覆蓋。與單波束比較，波束角窄，能夠完全反映細微地形的變化。單波束是點、線的反映，而多波束則是面上的整體反映。多波束測深系統(tǒng)的測量成果更真實可靠，由于是全覆蓋，其大量的水深點數(shù)據(jù)使等值線生成真實可靠;而單波束是將斷面數(shù)據(jù)進行摘錄成圖以插補方式生成等值線，在數(shù)據(jù)采集不夠時，等值線會存在一定偏差。

(2)發(fā)射換能器向水底投射出128°寬的覆蓋扇區(qū)，接收器同時形成256個動態(tài)聚焦波束，測深分辨率為5 mm。波束后向散射強度圖像和檢測到的距河床底距離實時顯示在聲吶監(jiān)視器上，且便于快速質(zhì)量檢查。

(3)眾所周知，測量船只的運動姿態(tài)對水下測量的數(shù)據(jù)影響很大，多波束測深系統(tǒng)在測量前和測量時，光纖羅經(jīng)和運動傳感器實時采集船行姿態(tài)數(shù)據(jù)，PD2000采集軟件同步記錄船姿態(tài)信息，并對船行姿態(tài)進行實時校正，進而保證后處理中的水深測量數(shù)據(jù)能夠真實有效地反映水底情況，而單波束在這方面是無法實現(xiàn)的。

(4)CARIS HIPS后處理軟件功能強大，可以根據(jù)需要抽取不同比例尺的數(shù)據(jù)成圖，生成的圖件類型有:測深數(shù)據(jù)圖;水深等值線圖;三維數(shù)字地形模型(DTM)圖;彩色水深圖;彩色地形陰影圖以及質(zhì)量控制報告等。

3 多波束測深系統(tǒng)應用于采砂管理量化監(jiān)測

傳統(tǒng)的水下監(jiān)測方法大多是采用單波束測深系統(tǒng)完成的，它是一種線狀反映水下地形的手段，工作量大且精度有限，難以勝任大比例尺和特殊要求的水下地形測量任務。而多波束測深系統(tǒng)具有測量快捷、高分辨率、高精度、全覆蓋等特點［1］，可以現(xiàn)場監(jiān)視水下地形地貌的細微變化，非常適合水下工程及河道的監(jiān)測任務。在此背景下，采用多波速測深系統(tǒng)對區(qū)域河道進行數(shù)字化、信息化監(jiān)控管理就顯得尤為重要。

在數(shù)據(jù)處理方面，傳統(tǒng)的處理方法是通過構(gòu)建Delauny三角網(wǎng)或Grid規(guī)則格網(wǎng)來形成水下的DTM，再通過分塊處理、四叉樹索引來達到水下地形多尺度LOD顯示的效果。但是針對區(qū)域河段采砂行為的量化監(jiān)測而言，其核心思想并不是可視化，而是周期性地監(jiān)測河段砂量開采的變化情況，同時考慮到水下地形數(shù)據(jù)具有多樣性、海量性、復雜性等特點以及提高計算效率減少計算機功耗等目的，本文采用對離散點云數(shù)據(jù)進行插值擬合而非構(gòu)建DTM的方法來處理不同時間采集的多波束水下地形數(shù)據(jù)，能夠保證有足夠的水深值來進行數(shù)據(jù)插值，保證結(jié)果的正確性且不失真。在此基礎(chǔ)上，對擬合曲面進行求差計算，從而得出階段時間內(nèi)河道砂石資源的變化量。輔助管理者對合理開發(fā)利用砂石資源進行決策。數(shù)據(jù)分析處理流程見圖2。

圖2 采砂量化監(jiān)測流程Fig.2 Flow chart of quantitative monitoring of river sand mining

采集得到的這些多波束點云數(shù)據(jù)屬于大規(guī)模離散數(shù)據(jù)的一種，在這些海量的點云數(shù)據(jù)當中，偶有臨近點間的高程突變(局部不連續(xù))，但根據(jù)水下地形的特點分析，這些水下高程點的突變一般不是由水下地形的陡然起伏所造成，更為可能的是測量時產(chǎn)生噪聲點或無效數(shù)據(jù)點，需要通過濾波處理去掉無效點［2］。

經(jīng)過濾波后的離散數(shù)據(jù)點的曲面重建一直以來是函數(shù)逼近論的一個重要研究內(nèi)容。近幾年來，隨著計算機輔助設計與圖形學的發(fā)展，離散數(shù)據(jù)的曲面重建技術(shù)得到了廣泛的研究和應用，離散數(shù)據(jù)擬合或插值是用一個光滑的曲面或通過一系列無規(guī)則的抽樣數(shù)據(jù)來逼近。

在盡量減少計算機損耗和提高計算效率的前提下，海量離散點云數(shù)據(jù)的曲面擬合可以歸結(jié)如下:

給定有限點集(xi，yi)，(i=1，…，n)，以及相應的值zi=f(xi，yi)∈R，Ω∈R2是平面的一個界限域，要構(gòu)造一個曲面S:Ω→R，該曲面S應當盡可能地符合以下目標［3］。

(1)S應當逼近數(shù)據(jù)，例如，S(xi，yi)≈zi;

(2)S應當具有較好的可視效果，并且要有利于以后進一步的處理;

(3)對S的計算和評估應當快速且有效;

(4)對S的計算在數(shù)值上應當是穩(wěn)定的，例如采用的方法對于任何數(shù)據(jù)點的分布均是適用的;

(5)應當考慮到數(shù)據(jù)的局部變動和分布;

(6)采用的方法應當易于實現(xiàn)。

在滿足以上6個宗旨的前提下，本文采用加權(quán)移動平均算法(Weighted Moving Average)對濾波后的數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理。加權(quán)移動平均算法用于將離散型分布的數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的數(shù)值，同時對原始數(shù)據(jù)進行插值加密或抽取處理，目的是用地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點表示地形表面的連續(xù)函數(shù)。

該方法十分靈活并且精度較高，計算簡單，不需要很大的計算機內(nèi)存。算法選取離散分布的數(shù)據(jù)點時，一般考慮2個因素:①范圍，即采用多大面積范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點來計算被插點的數(shù)值;②點數(shù)，即選取多少點參加計算被插補的點。這2個因素的實際應用要根據(jù)具體情況而定。范圍的大小是以某個被插值點為圓心，以R為半徑來確定的。其半徑?jīng)Q定與原始數(shù)據(jù)點的疏密程度和原始數(shù)據(jù)點可能影響的范圍。由于原始數(shù)據(jù)點分布不均勻，為了保證求解二次曲面方程，要有足夠數(shù)量的點，但又不能太多，因此圓半徑不是固定的。對于動態(tài)變化的圓半徑的決定，可以采用逐步變動的做法，見圖3。

圖3 動態(tài)圓法網(wǎng)格化示意圖Fig.3 Dynamic circle analysis in grid

將研究河段內(nèi)水下地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的連續(xù)函數(shù)，采用規(guī)則圓方法，拾取規(guī)格化節(jié)點臨域范圍內(nèi)掃測值進行擬合計算。對于每一個新點選取其鄰近的n個數(shù)據(jù)點。把新點作為平面坐標的原點，然后用一個多項式曲面擬合。多項式中的各參數(shù)由n個數(shù)據(jù)點求得。例如某點t的平面坐標為xt，yt，現(xiàn)根據(jù)加權(quán)移動平均算法計算其高程，假定擬合曲面如式(1)所示:

式中ai(i=0，1，…，5)為待定參數(shù)。首先在以P點為圓心、以R為半徑的圓內(nèi)選用數(shù)據(jù)點，把這個范圍內(nèi)的各數(shù)據(jù)點i的平面坐標值(xi，yi)變換為以t為原點的坐標值，即

對于n個數(shù)據(jù)點，可列出n個誤差方程式:

矩陣表示為

其中:

各數(shù)據(jù)點賦予適當?shù)臋?quán)Pi，則式(4)所對應的權(quán)矩陣為

按照最小二乘法求解式(4)得:

再通過式(4)即可求出任一新點的高程內(nèi)插值。

通過插值計算，能夠形成規(guī)則的、連續(xù)的水下高程數(shù)據(jù)，這些規(guī)則的離散數(shù)據(jù)能夠較真實地反映河段內(nèi)的水下地形，保證有足夠的水深值來進行比較分析。是采砂管理量化監(jiān)測中極為重要的環(huán)節(jié)。

4 采砂管理量化監(jiān)測的應用工程實例

按照此技術(shù)路線于2010年4月25日和2011年4月27日2次分別對長江流域某采砂河段的河床進行了分階段的測量，前次測量時水面高程為24.247 m;后次測量時水面高程為21.978 m，其水下地形示意圖見圖4至圖6。2次測量的目的，就是為了得到階段時間內(nèi)區(qū)域河道內(nèi)砂石資源量的動態(tài)變形情況。

圖4 2010年4月水下地形Fig.4 The underwater DTM in April，2010

按照上述方法分別擬合插值2次測量得到的多波束數(shù)據(jù)，并采取俯視的角度進行比較。截取圖7中紅色區(qū)域的斷面進行分析，如圖8所示。可得出以下結(jié)論:由于采砂活動的進行，截止2011年4月，主河道重點采砂監(jiān)控區(qū)域相比于2010年4月最深處被開挖2.32 m，被開挖斷面區(qū)域大約寬為38.7 m，1 000 m長的河道內(nèi)被開采的砂石量約為7萬m3。

圖5 2011年4月水下地形Fig.5 The underwater DTM in April，2011

圖6 2次水下地形對比圖Fig.6 Comparison of two underwater DTMs

圖7 特征斷面示意圖Fig.7 Characteristic section map

圖8 采砂量變化對比圖Fig.8 Changes of the sand mining amount

5 結(jié)論

本文以長江流域某采砂河段為監(jiān)控對象，提出了基于水下多波束測深技術(shù)的河道采砂量化監(jiān)測管理手段，并運用相關(guān)算法計算出采砂量，具有直觀性、高效性和可靠性，大大減少了人工作業(yè)量，改變了傳統(tǒng)監(jiān)測的落后手段，為河道采砂資源優(yōu)化利用和有序監(jiān)管提供了有效的技術(shù)支撐。

多波束測深系統(tǒng)除了能量化監(jiān)測河道砂石資源的變化外，還可廣泛應用于堤防、水庫、湖泊及海洋等水域的水下地形測量，進行水下工程及其水工建筑物的安全檢測(如拋石護岸等);河道疏浚及港口、碼頭、橋梁的工程測量;水下管線、電纜等的監(jiān)測;沉船、水下物體的打撈搜尋等。這套系統(tǒng)的測量效益、實用性和廣闊的應用前景將進一步顯現(xiàn)。

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