劉一軍

（自然資源部第七地形測量隊，海南 海口 570203）

0.引言

陸地地形圖的數(shù)據(jù)可通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)直接測量，水下地形測量與陸地地形圖測量相比具有較大難度，難以直接獲取水底測量點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，在測量作業(yè)進(jìn)行中需架設(shè)測深系統(tǒng)，并同步使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，由此得出測量目標(biāo)區(qū)域的三維坐標(biāo)。單波束測深系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)是水下地形測量的主要方式，兩者分別運(yùn)用于內(nèi)河測量及海洋測繪中，兩者在測量工作進(jìn)行中具有自身特征，應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行相應(yīng)分析。

1.單波束測深系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)

本次研究中，單波束系統(tǒng)選擇HD－27型單波束測深儀，測量工作中的主要構(gòu)件包括換能器、內(nèi)置顯示器、外圍輔助傳感器、供電設(shè)備直流12V蓄電池等。多波束測深系統(tǒng)測量中運(yùn)用的設(shè)備主要為HydroBat多波束測深儀，測量工作中使用的設(shè)備主要包括帶法蘭盤的安裝支架、GNSS定位設(shè)備、輸出220V交流電的發(fā)電機(jī)、具有PDS2000采集軟件的計算機(jī)、表面聲速儀、帶10m電纜的鑄模換能器、姿態(tài)傳感器等。[1]

2.單波束測深系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)作業(yè)流程分析

單波束系統(tǒng)測量工作中主要運(yùn)用換能器垂直向下發(fā)生短脈沖聲波，在作業(yè)過程中，脈沖聲波觸到水底時出現(xiàn)反射，反射回波返回聲吶，并被換能器接收。單波束測深系統(tǒng)難以準(zhǔn)確記錄測線間點(diǎn)數(shù)據(jù)，主要是按照航線，以一定的時間或距離進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。單波束測量作業(yè)進(jìn)行中主要是沿著河道橫斷面進(jìn)行布設(shè)。

多波束測深系統(tǒng)采用與單波束測深系統(tǒng)一致的工作原理，通過聲波反射完成測量工作，兩者測量工作的差異性主要體現(xiàn)為多波束測深系統(tǒng)利用112個指向性正交的兩組換能器來完成信號發(fā)射與接收。多波束測深系統(tǒng)操作中，在船的正下方左側(cè)60°與右側(cè)60°進(jìn)行掃測，突破了單波束測量中只有一條測深線水深信息作業(yè)中的限制，革新了傳統(tǒng)作業(yè)方式，在一條測線中可收納多條水深信息，結(jié)合航船測量航跡構(gòu)成一條帶狀水深圖，以此對水下地形與地貌進(jìn)行精準(zhǔn)測量。[2]

3.單波束測深系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)具體分析

本次研究選擇某河的水下工程作為測深對象，該河道水下工程包括水下拋石、堤基防滲處理、河段整治、大型穿堤建筑物除險加固等構(gòu)成部分，水下工程具有隱蔽性特征，不同河段的水文地質(zhì)條件、河勢情況等呈現(xiàn)一定的差異性，施工技術(shù)要求不一，給工程施工增加了一定難度。該河道某護(hù)底工程從0＋530m至1＋400m，工程采用1.9m×10.0m復(fù)合塑枕與1.2m×10.0m普通塑枕，內(nèi)充填江沙，進(jìn)行2－3層拋?zhàn)o(hù)，綜合厚度設(shè)置為2.4m，上游迎水面坡比為1∶2.5，壩頂寬10m，下游背水面坡比為1∶3。該地下工程（如圖1所示）：

圖1 該水下工程磁場測量仿真效果圖

本次研究選擇的河段為感潮河段，漲潮與退潮時間分別為3h、9h，漲潮時流速極快，最高達(dá)3.0m/s以上，汛期的水流量極大，最高可達(dá)8.5×104m/s。某處水深最高達(dá)－60m，水面寬1400m，水下地形地理?xiàng)l件較為復(fù)雜，給水下工程施工帶來較大難度，需對河道進(jìn)行準(zhǔn)確測深，準(zhǔn)確掌握工程河道的相關(guān)地理信息，以促進(jìn)水下工程的順利施工。測深中選擇潛壩工程下游附近相對平坦的區(qū)域，水下高程范圍約10.4－11.9m，水深約－12m，測量過程中在同一個測線上進(jìn)行5次

單波束測深系統(tǒng)在測量過程中優(yōu)勢明顯，設(shè)備構(gòu)成較簡單，便于隨時攜帶，且安裝過程方便。在實(shí)際作業(yè)過程中，要求對定位以及吃水位進(jìn)行重新確定與改正，經(jīng)過處理，軟件界面操作正常，可采用多種成果輸出方式[3]。但是單波束運(yùn)用存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確測量相鄰兩點(diǎn)之間的微地形，在精度要求較高時難以得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。在計算機(jī)軟件自動生成圖形的過程中可能產(chǎn)生不夠真實(shí)的地形圖，尤其對測區(qū)邊界河口處等高線的測量表現(xiàn)明顯，測量數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象。

測量操作中可采用加密測線的處理方式，提升水下測量區(qū)域的精度，但是運(yùn)行中需投入較多的時間成本與人力成本[4]。多波束測深系統(tǒng)測量情況（如圖3所示）：

圖3 多波束測深系統(tǒng)水下測量情況

多波束測深系統(tǒng)測量過程中具有復(fù)雜的外業(yè)作業(yè)處理方式及整體安裝過程，測量過程中要求連接多項(xiàng)設(shè)備，并嚴(yán)格運(yùn)用多種有效的連接方式，在連接作業(yè)完成后，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，嚴(yán)格參照J(rèn)T/T 790-2010《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求》中的相關(guān)規(guī)定，測深開始前，需進(jìn)行必要的前提準(zhǔn)備，如，橫搖改正、艏向改正、時延改正、縱搖改正等。在實(shí)際測量工作中，要求結(jié)合實(shí)際測量工作需要，不斷調(diào)整相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而得到最佳測量效果。

此種測量方式運(yùn)用中，外業(yè)測量工作效率較高，能實(shí)現(xiàn)測量工作的全覆蓋與全面測量，基本不會遺漏地形信息[5]。結(jié)測量，選取多個測量點(diǎn)完成測量作業(yè)。單波束測深系統(tǒng)按照一定的間距進(jìn)行測量，難以實(shí)現(xiàn)全覆蓋、無遺漏；多波束測深系統(tǒng)測量采用全覆蓋掃描方式，是對單波束測深系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，應(yīng)用優(yōu)勢明顯，能更加真實(shí)、客觀地反映水下真實(shí)情況，為決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

對水下地形進(jìn)行測量時，單波束測深系統(tǒng)測量情況（如圖2所示）：合多波束測深系統(tǒng)原理，測量作業(yè)進(jìn)行中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況及作業(yè)管理規(guī)范，制定作業(yè)流程圖，要求邊沿波束重疊度符合相關(guān)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，兩條計劃測線邊沿波束達(dá)到高于20%的重疊度。與單波束測深系統(tǒng)相比對，多波束測深系統(tǒng)測量中處理數(shù)據(jù)較多，整體數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜，要求精心選擇合適的數(shù)據(jù)完成作圖，操作要求較高。

圖2 單波束測深系統(tǒng)水下測量情況

4.單波束測深系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)數(shù)據(jù)對照分析

本次測深研究中，選取地下水位較為平坦的一處位置，分別進(jìn)行單波束測深系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)測量，根據(jù)測量結(jié)果得知：在#3組斷面數(shù)據(jù)分析中，同一坐標(biāo)中高程最大0.57m，最小0.19m。對10組數(shù)據(jù)分析對比可知：同一坐標(biāo)中最大高程與最小高程分別為0.95m、0.19m，整體數(shù)值平均相差0.35m。

通過測量數(shù)據(jù)對比分析可知：在同一坐標(biāo)點(diǎn)上，單波束測深系統(tǒng)得到與多波束測深系統(tǒng)相同的數(shù)據(jù)。通過實(shí)際測量可見，兩種處理測量方式在實(shí)際測量中存在差異，單波束系統(tǒng)測量中有時出現(xiàn)相對較大的高差，相鄰兩點(diǎn)間的距離較遠(yuǎn)；多波束系統(tǒng)測量中，臨近高差及相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)間的距離較近。在實(shí)際測量中不易出現(xiàn)波動幅度較大的高程，因此，此種方式在對水下地形高程測量中，可對連接點(diǎn)變化情況進(jìn)行分析，由此判斷高程測量的實(shí)際情況，分析測量數(shù)據(jù)的可靠性。單波束系統(tǒng)測量中存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確判斷高程數(shù)據(jù)的可靠性。

5.單波束測深系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)測量結(jié)果分析

本次測量作業(yè)中，某＃3組斷面測深數(shù)據(jù)整合情況（如表1所示）：

表1 某#3組斷面測深數(shù)據(jù)整合

通過圖2、圖3對比分析可知：采用單波束測深系統(tǒng)能反映出河床整體的演變狀態(tài)，采用多波束測深系統(tǒng)處理方式得到的數(shù)據(jù)，則對河床的演變趨勢與形態(tài)進(jìn)行更為清晰而直觀地展示與表達(dá)，得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)更為密集。由圖2、圖3所知，105m等高線在大小與形狀表達(dá)上有所差異，主要是由于單波束測深系統(tǒng)運(yùn)用中僅能測量線上的點(diǎn)，難以準(zhǔn)確測量相鄰兩橫斷面間的點(diǎn)。地下水測量在水體流動狀態(tài)下進(jìn)行，與陸地水測量存在較大差異，難以精準(zhǔn)測量每個特征點(diǎn)。

多波束測深方式與單波束測深方式相比，在對目標(biāo)物形狀、大小及高低變化情況的測量上具有明顯優(yōu)勢，能繪制出更加詳細(xì)精準(zhǔn)的等高線，真實(shí)還原水下地形地貌。

6.結(jié)束語

本次研究對比兩種測深系統(tǒng)作業(yè)流程及數(shù)據(jù)處理情況，通過對比得出以下測量結(jié)果：多波束測深系統(tǒng)能得到比單波束測深系統(tǒng)更密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，測深作業(yè)中能精準(zhǔn)測量河床地形的高低與起伏變化情況，真實(shí)還原水下地形地貌。

（1）整體研究結(jié)果。本次研究對比兩種測深系統(tǒng)作業(yè)流程及數(shù)據(jù)處理情況，通過對比得出以下測量結(jié)果：多波束測深系統(tǒng)測量能得到比單波束測深系統(tǒng)更密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，測深作業(yè)中能精準(zhǔn)測量河床地形的高低與起伏變化情況，真實(shí)還原水下地形地貌。

（2）單波束測深系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)運(yùn)行對比。單波束測深系統(tǒng)測量僅能反映帶狀河道的走向情況。多波束系統(tǒng)測量具有較高精度，測量作業(yè)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作帶來較大難度。其在淺灘地形測量中實(shí)施難度較大，不宜將其運(yùn)用于水深較淺區(qū)域。其在水深較深的地下測量中則具有明顯優(yōu)勢，尤其在水深大于-3m區(qū)域及小范圍測量作業(yè)中。

單波束測深系統(tǒng)在1次采集任務(wù)結(jié)束后，即要求進(jìn)行該項(xiàng)目比例尺的測圖工作，這與多波束系統(tǒng)測量工作存在一定差異，后者在完成1次采集任務(wù)后可結(jié)合水下地形的實(shí)際測量情況及具體項(xiàng)目的開展要求而設(shè)置相應(yīng)的比例尺，以此得出水下地形數(shù)據(jù)。

單波束測深系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)在實(shí)際測量工作中往往使用不同的平臺，在淺水區(qū)測量作業(yè)中，應(yīng)避免測深設(shè)備的探頭碰撞到河底的物體，影響正常的測量工作，兩種測量方式對船型最低要求具有差異，單波束測深設(shè)備主要架設(shè)在沖鋒舟吃水較淺或0.4m吃水高度以上的小型船舶中，多波束測深系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行中要求架設(shè)在高于1m吃水高度的內(nèi)河船舶上，在具體作業(yè)過程中需符合相關(guān)作業(yè)要求。

（3）實(shí)際測量分析。若測量區(qū)域水深為-0.5～3.0m，應(yīng)使用單波束測深系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。單波束測深系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)分別具有各自的使用特征，在多個領(lǐng)域中均有應(yīng)用，例如，Sonic2026多波束測深系統(tǒng)在小浪底水利樞紐的應(yīng)用，無人船搭載雙頻單波束測深系統(tǒng)的河道水下地形三維模型構(gòu)建等。在實(shí)際測量工作中，多波束測深系統(tǒng)需使用較多的設(shè)備，設(shè)備的安裝過程較為復(fù)雜，在外業(yè)操作上較為繁瑣，這是其運(yùn)用的缺陷。單波束測深系統(tǒng)的使用較為便捷，安裝及調(diào)試過程較為簡單。在具體測量工作中，需結(jié)合測量工作的具體要求選擇適宜的測量方式。