汪劍橋

摘 要：本文基于筆者多年從事航道測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以SEABAT8101多波束測(cè)深系統(tǒng)在川江航道測(cè)量中的應(yīng)用為研究對(duì)象，論文首先分析了多波束測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而探討了多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝測(cè)試方法，定位導(dǎo)航實(shí)施方法，及測(cè)量步驟與數(shù)據(jù)處理思路，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：多波束測(cè)深系統(tǒng) 航道 數(shù)據(jù)處理 導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：U612 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（a）-0040-02

多波束測(cè)深系統(tǒng)以其全覆蓋、無(wú)遺漏的測(cè)量方式，能完成全覆蓋水深測(cè)量、航行障礙物探測(cè)，在效率、精度、分辨率與水下地形成圖質(zhì)量上有了大幅度提高，整個(gè)系統(tǒng)從外業(yè)到內(nèi)業(yè)全過(guò)程真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化，徹底改變了傳統(tǒng)的水下測(cè)量技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 多波束測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

與單波束相比，多波束具有無(wú)可比擬的先進(jìn)性。主要體現(xiàn)在：（1）測(cè)量以帶狀方式進(jìn)行，波束連續(xù)發(fā)射和接收，測(cè)量覆蓋程度高，對(duì)水下地形可100%覆蓋，與單波束比較，波束角窄，對(duì)細(xì)微地形的變化都能完全反映出來(lái)，單波束是點(diǎn)、線的反映，而多波束則是面上的整體反映。（2）多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量成果更真實(shí)可靠。由于是全覆蓋，其大量的水深點(diǎn)數(shù)據(jù)使等值線生成真實(shí)可靠，而單波束是將斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行摘錄成圖以插補(bǔ)方式生成等值線，在數(shù)據(jù)采集不夠時(shí)，使得等值線存在一定偏差。（3）多波束測(cè)深系統(tǒng)同步記錄船體姿態(tài)信息，起伏、縱搖、橫搖、船向等，由專用后處理軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正后，可使測(cè)量結(jié)果受外界不利因素影響減少到最低限度。（4）多波束測(cè)深系統(tǒng)能對(duì)測(cè)量資料進(jìn)行多種成圖處理，可生成等值線圖、三維立體圖、彩色圖像、剖面圖等，同時(shí)還能對(duì)同一測(cè)區(qū)不同測(cè)次進(jìn)行比較以及土方計(jì)算等。（5）多波束測(cè)深系統(tǒng)可對(duì)同一測(cè)區(qū)生成不同比例尺的水下地形圖，以滿足不同的需要。

隨著長(zhǎng)江數(shù)字航道、智能航道的建設(shè)，電子航道圖的更新需求，對(duì)航道測(cè)量的需求也提出了實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化的要求。目前長(zhǎng)江航道測(cè)繪部門需要完成以下測(cè)繪任務(wù)：（1）數(shù)字航道建設(shè)，電子航道圖測(cè)繪；（2）水下航道整治建筑物的監(jiān)測(cè)和水毀情況的探測(cè)；（3）搜尋水下物體，如沉船位置探測(cè)，疏浚作業(yè)可疑物排除；（4）清淤施工區(qū)水下地貌信息采集；（5）用于航道科研目的的水文測(cè)量、水深調(diào)查；（6）航路改革、新辟航道的掃測(cè)等。

測(cè)量技術(shù)的提高，關(guān)鍵在配置先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備。鑒于多波束測(cè)深系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外水上測(cè)量最先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備，對(duì)數(shù)字航道和智能航道建設(shè)具有重要的推進(jìn)作用。因此，在長(zhǎng)江沿線各航道測(cè)繪單位合理配備多波束測(cè)深系統(tǒng)，用于電子航道圖數(shù)據(jù)的更新、數(shù)字航道建設(shè)，適應(yīng)長(zhǎng)江航道建設(shè)發(fā)展、航道維護(hù)管理的需要是十分必要的。

2 工程概況

宜賓合江門（長(zhǎng)江上游航道里程1044.0 km）至宜昌港務(wù)集團(tuán)辦公大樓（原九碼頭長(zhǎng)江上游航道里程0.0 km，中游里程626.0 km）為上游航道，習(xí)稱川江，長(zhǎng)1044.0 km，屬山區(qū)河流，多為石質(zhì)河床，天然狀態(tài)下，航道彎曲狹窄，灘多流急，流態(tài)紊亂，三峽工程蓄水后，部分河段航道條件得到改善。目前，宜賓合江門至江津紅花磧?yōu)樯絽^(qū)天然航道；江津紅花磧至重慶豐都為山區(qū)變動(dòng)回水區(qū)航道；重慶豐都至三峽大壩為山區(qū)常年庫(kù)區(qū)航道。三峽成庫(kù)后，為了進(jìn)一步充分利用蓄水期和天然航道水深資源，分析航道淤變情況，為航道設(shè)計(jì)、決策提供第一手測(cè)繪資料。

3 多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝測(cè)試

本工程中投入丹麥RESON 7125多波束系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量實(shí)施。該系統(tǒng)在引進(jìn)后就一直都是安裝在固定的測(cè)量船的固定位置上，所以系統(tǒng)進(jìn)行使用都是整體工作的。

多波束測(cè)深系統(tǒng)的各部分，按設(shè)計(jì)位置進(jìn)行安裝，SF3050接收機(jī)天線，多束換能器、運(yùn)動(dòng)傳感器（DMS-05）、電羅經(jīng)等相對(duì)船體坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置關(guān)系。量測(cè)各傳感器相對(duì)船體坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移量，以便在數(shù)據(jù)處理進(jìn)行相應(yīng)的改正。

3.1 電羅經(jīng)傳感器的安裝

電羅經(jīng)的安裝位置有著嚴(yán)格的要求，電羅經(jīng)傳感器應(yīng)安裝在船舶中心附近，電羅經(jīng)指示方向應(yīng)與船首方向一致，并且要求在船體坐標(biāo)系的水平面內(nèi)。安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離導(dǎo)磁物質(zhì)或易被磁化的物質(zhì)；電羅經(jīng)與較大的鐵性物體、強(qiáng)電流的電線及電池組至少保持1.3～1.5 m的距離；一些電子設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、電視顯示器、雷達(dá)磁控管、擴(kuò)音器、UPS不間斷電源裝置等）的使用會(huì)影響電羅經(jīng)的正常工作，使其測(cè)出的方向數(shù)據(jù)失真或干憂，應(yīng)遠(yuǎn)離它們。

3.2 運(yùn)動(dòng)傳感器的安裝

OCTANS光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器（法國(guó)iXSEA公司）OCTANS集羅經(jīng)、運(yùn)動(dòng)傳感器于一體，運(yùn)動(dòng)傳感器應(yīng)固定安裝，并盡可能與水平面平行；運(yùn)動(dòng)傳感器離船舶重心的越遠(yuǎn)，船舶縱橫傾幅度越大，產(chǎn)生的測(cè)量誤差也越大，所以安裝位置應(yīng)在船舶的重心或盡可能靠近重心；運(yùn)動(dòng)傳感器的安裝具有方向性，其罩殼上的指示方向應(yīng)與船艏方向一致，否則將產(chǎn)生反向改正，造成嚴(yán)重誤差。

3.3 多波束換能器的安裝

多波束換能器的安裝主要取決于船型和船的結(jié)構(gòu)。同時(shí)還應(yīng)考慮多波束測(cè)深系統(tǒng)使用的水域，如在內(nèi)河測(cè)量，因受風(fēng)浪的程度較小，可以安裝在船首，而在潮汐河口或近海水域，因受風(fēng)浪的程度較大，宜采用船底固定安裝。安裝時(shí)要注意固定好，以免測(cè)量換能器產(chǎn)生抖動(dòng)，下沉。此外，還考慮換能器的安全性，以免在靠離碼頭碰撞損壞，建議安裝的換能器，還具有可拆卸或可移動(dòng)的功能。

3.4 星站差分SF3050接收機(jī)天線的安裝

SF3050接收機(jī)天線應(yīng)安裝在船舶高處（低于避雷針），視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不能超過(guò)10°；盡可能遠(yuǎn)離船舶主桅桿；盡量遠(yuǎn)離大功率的無(wú)線電發(fā)射信號(hào)源（如雷達(dá)、高頻電話天線等）；天線安裝要穩(wěn)固，避免船舶姿態(tài)變化使其產(chǎn)生位移；天線位置應(yīng)選擇遠(yuǎn)離船體大型金屬物體結(jié)構(gòu)，距甲板高度至少在1.5 m以上，減少信號(hào)多路徑效應(yīng)。系統(tǒng)安裝后，應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試可分為通電測(cè)試和航行測(cè)試。通電測(cè)試：在靜態(tài)狀態(tài)下進(jìn)行，檢查系統(tǒng)各部分電纜連接是否良好牢靠，正確無(wú)誤；檢查接地是否正確，牢靠；檢查供電電源輸出電壓是否正常，直流供電的極性是否正確無(wú)誤，一切正常后，開(kāi)始目測(cè)系統(tǒng)各部分的通電運(yùn)行狀況、信號(hào)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的通信情況。航行測(cè)試：要選擇適宜水域設(shè)測(cè)多條往返重復(fù)測(cè)線進(jìn)行橫傾、縱傾、定位延遲、電羅經(jīng)偏差等系統(tǒng)參數(shù)改正。此外，在測(cè)試過(guò)程中還要檢查、測(cè)試DGPS接收機(jī)、聲速剖面儀、電羅徑等是否工作正常。

目前，上述各測(cè)試項(xiàng)目不僅僅是安裝測(cè)試的要求，而且已列為每個(gè)航次或承接新測(cè)量項(xiàng)目之前，必須要做的工作。

（1）電羅經(jīng)的測(cè)試與校準(zhǔn)。

電羅經(jīng)安裝后，電羅經(jīng)指向與船舶指向可能存在偏差，這個(gè)偏差叫航偏差，因?yàn)槎嗖ㄊ鴾y(cè)深系統(tǒng)發(fā)射的扇形聲波束接收陣列的排列與船艏是相互垂直的，如果電羅經(jīng)的指向與船首航向不一致，將影響換能器陣列的發(fā)射，接收角度，導(dǎo)致覆蓋寬度減少，降低工作效率。更重要的是，這將導(dǎo)致除中央波束外的所有波束定位錯(cuò)誤，離中央波束越遠(yuǎn)，誤差越大，從而導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。為此，需要對(duì)電羅經(jīng)進(jìn)行測(cè)試與校準(zhǔn)。電羅經(jīng)測(cè)試有三種方法，一是，為可在船舶?？看a頭時(shí)進(jìn)行，使用經(jīng)緯儀精確確定船艏向，并與電羅經(jīng)的指向進(jìn)行對(duì)比，確定電羅經(jīng)的校正值。二是，可選擇開(kāi)闊的水域進(jìn)行，其方法是測(cè)量船按200 m直徑的圓周運(yùn)動(dòng)，連續(xù)航行4周，采用專門軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理，獲得校準(zhǔn)值。三是，利用水域中的突出標(biāo)志物，先在這標(biāo)志物的一側(cè)作直線航行，用右舷邊緣波束測(cè)量標(biāo)志物，得到一個(gè)文件；然后，在標(biāo)志物的另一側(cè)作反向直線航行，同樣用右舷邊緣波束測(cè)量標(biāo)志物，得到另一個(gè)文件（這兩條測(cè)線平行且與標(biāo)志物的距離相等）。第一次航行時(shí)，由于存在電羅經(jīng)誤差的航偏差（角）g，故突出標(biāo)志物R位置的水深點(diǎn)R1；同樣，第二次航行時(shí)，R位置的水深點(diǎn)偏移到了R2，測(cè)量R1與R2之間的距離d，航跡與突出標(biāo)志物點(diǎn)R之間的垂直距離為r，則可按式（1）計(jì)算出航偏差角，

（1）

g為航偏差；

d為測(cè)量R1與R2之間的距離；

r為航跡與突出標(biāo)志物點(diǎn)R之間的垂直距離。

（2）橫傾偏差角，縱傾偏差角測(cè)定及校正。

橫傾偏角是換能器與水平面垂直龍骨方向的夾角，縱傾偏差角是換能器與水平面縱向的夾角。它們是多波束測(cè)深的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)角實(shí)際上都包含一個(gè)動(dòng)態(tài)分量和一個(gè)靜態(tài)分量。動(dòng)態(tài)分量是由風(fēng)、涌、波浪等因素造成的，可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器（或稱波浪補(bǔ)償儀）予以校正。靜態(tài)分量是由于安裝時(shí)造成的，分別稱為橫傾角和縱傾角。橫傾偏差角校正是針對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)的換能器在安裝過(guò)程中可能存在的橫向角度誤差而引入的一種校正方法。當(dāng)換能器橫向安裝角度與理論設(shè)計(jì)角存在偏差時(shí)，水底地形將受到嚴(yán)重彎曲，為此，必須進(jìn)行橫傾偏差角的測(cè)定與校正。由于定位值延遲和縱傾角（偏差）均造成測(cè)點(diǎn)前后位移，因此，橫傾偏差角校正獨(dú)立于其他校正，故應(yīng)予首先進(jìn)行測(cè)定。橫傾偏差角的測(cè)定，選擇一處比較平坦的水域布置一測(cè)線在風(fēng)浪較小的狀況下，以正常的航速往返測(cè)量，選擇符合要求的兩條測(cè)線（航向相反、航跡較直且重復(fù)性較好，時(shí)間相隔短），然后用多波束測(cè)深系統(tǒng)的橫傾模塊，在垂直測(cè)線方向截取斷面。通過(guò)調(diào)整橫傾偏差角，使兩斷面最佳重合，這時(shí)的值就是橫傾偏差角。

4 定位導(dǎo)航

本項(xiàng)目水深測(cè)量作業(yè)平面定位擬全部采用星站差分SF3050技術(shù)實(shí)施。由于SF3050 獲取的是WGS-84 坐標(biāo)，而測(cè)量成圖所用的坐標(biāo)系為北京54坐標(biāo)系。因此，在測(cè)量前必須先求取WGS-84 到北京54坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。WGS-84 坐標(biāo)系至北京54坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)可直接利用控制點(diǎn)中3個(gè)以上控制點(diǎn)求取。為檢驗(yàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的準(zhǔn)確度，使用SF3050接收機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì)，利用實(shí)測(cè)坐標(biāo)與已知坐標(biāo)的比對(duì)差來(lái)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的準(zhǔn)確性，比對(duì)結(jié)果滿足規(guī)范要求方可投入使用。

5 測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

5.1 掃道設(shè)計(jì)和測(cè)線布設(shè)

（1）掃道方向。

在掃道方向設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到多波束測(cè)深系統(tǒng)采集的是高密度條帶式水深數(shù)據(jù)，它可以對(duì)水下地形進(jìn)行全覆蓋測(cè)深。在正常工作環(huán)境中，只要船速選擇適當(dāng)，就不會(huì)把特殊水深遺漏，因此，掃道方向的設(shè)計(jì)順著航道方向布設(shè)[17]。

（2）掃道寬度。

（RESON 7125）的掃道設(shè)計(jì)寬度為W=2D圖tanθ，式中D圖為海圖水深，θ為波束角。在實(shí)際操作中，掃道寬度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水深來(lái)確定，是以掃道設(shè)計(jì)寬度值為準(zhǔn)。另考慮到施工時(shí)對(duì)漲潮水位的充分利用，也可以實(shí)際掃側(cè)數(shù)據(jù)填滿屏幕顯示的設(shè)計(jì)范圍并有重疊為準(zhǔn)。

（3）重疊帶寬度。

《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)測(cè)圖比例尺大于1∶5000時(shí)，測(cè)深定位點(diǎn)點(diǎn)位中誤差限值為圖上1.5 mm，定位點(diǎn)記錄中誤差為圖上0.5 mm。

重疊帶寬度計(jì)算如下：

式中，

S為多波束掃側(cè)重疊帶寬度；

E0為測(cè)量船定位中誤差；

E1為船舶偏航系統(tǒng)性誤差。

根據(jù)上述的要求對(duì)川江港航道進(jìn)行測(cè)線布設(shè)：多波束測(cè)線平行于航道布設(shè)，測(cè)線間距10m，測(cè)量時(shí)根據(jù)覆蓋寬度選擇測(cè)線號(hào)，保證在測(cè)量范圍內(nèi)全覆蓋測(cè)量。具體布設(shè)局部區(qū)段示意圖見(jiàn)圖1。

5.2 測(cè)量實(shí)施和數(shù)據(jù)后處理

多波束測(cè)量使用的是RESON 7125測(cè)量軟件，軟件同步采集星站差分SF3050位置數(shù)據(jù)、多波束測(cè)深儀水深測(cè)量數(shù)據(jù)、波浪補(bǔ)償儀姿態(tài)補(bǔ)償數(shù)據(jù)、電羅經(jīng)數(shù)據(jù)。聲速儀實(shí)時(shí)采集聲速數(shù)據(jù)確定單波束聲速和多波束的聲速剖面。使用CARIS后處理軟件進(jìn)行水深點(diǎn)的后處理，除去假水深，在CARIS 軟件中錄入潮位信息，自動(dòng)對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行水位改正。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和成圖兩個(gè)部分。預(yù)處理主要包括定位數(shù)據(jù)處理，聲速剖面數(shù)據(jù)處理，潮位數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)數(shù)據(jù)處理，深度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)編輯、去噪、合并、清項(xiàng)；成圖處理是對(duì)預(yù)處理后得到的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，生成數(shù)字地形模型（DTM），形成海底地形圖。

5.3 成果應(yīng)用分析

對(duì)航槽施工區(qū)段的定期測(cè)量，將獲得的數(shù)據(jù)提供給施工船舶進(jìn)行施工作業(yè)。通過(guò)這種方式可以提高施工效率，保證質(zhì)量。得到的多波束數(shù)據(jù)能很直觀的反映出施工時(shí)遺漏的淺點(diǎn)。這一點(diǎn)通過(guò)單波束測(cè)量手段是無(wú)法做到的。下面抽取一次多波束測(cè)量后處理得到的航道區(qū)域內(nèi)三維立體效果圖（圖2）和色塊圖（圖3）。

參考文獻(xiàn)

[1] 舒曉明.多波束在航道測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技資訊，2005.

[2] 黃永軍，王閏成.多波束外業(yè)實(shí)施研究與探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009.

[3] 陳一超，多波束數(shù)據(jù)的智能化處理[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010.