黎富忠

（廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，廣西南寧 530023）

0.概述

現(xiàn)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水下測深技術(shù)逐漸成熟。水下測深主要應(yīng)用于河流、湖泊、水庫、海岸、港灣等水域水下深度測量與水下地形測繪。測深儀器由以前的單波束測深系統(tǒng)轉(zhuǎn)為多波束測深系統(tǒng)。多波束測深是水聲技術(shù)、計算機技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成。多波束測深系統(tǒng)是一種可以同時獲得船下方垂直主向的波束，及多個相鄰窄波束的回聲測深系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單波束測深系統(tǒng)每次測量只能獲得船垂直下方一個測量深度值相比，多波束探測能獲得一條帶覆蓋區(qū)域內(nèi)多個測量點的深度值，實現(xiàn)了從“點至線”測量到“線至面”測量的跨越，通過對數(shù)據(jù)的深入研究，可通過數(shù)據(jù)濾波、壓縮提取等技術(shù)的數(shù)據(jù)處理，提取水下地面點云數(shù)據(jù)，可構(gòu)建水下DEM地形，構(gòu)建水下三維圖形。具有橫向覆蓋范圍大，波束窄，測量速度快、精度和效率高等優(yōu)點，適用于重點區(qū)域、大面積區(qū)域的高精度測量，也可以用于精確測定航行障礙物的位置、深度的測量。

1.研究內(nèi)容

利用多波速測深技術(shù)在水生態(tài)建設(shè)中快速準(zhǔn)確采集水下地形數(shù)據(jù)，通過研究點云數(shù)據(jù)濾波等后處理的方法，分析數(shù)據(jù)類型，研究快速、可靠的數(shù)據(jù)濾波方法[1]，濾掉水下水中飄浮物、干擾物，提取水下地面數(shù)據(jù)，建立高精度的數(shù)字高程DEM和三維模型，可大幅提高水下地形測量的精度，大幅提高水下測量工作效率，快速構(gòu)建水下三維模型。同時，研究開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)平臺實現(xiàn)對水下地形進行周期監(jiān)測，對各周期的水下三維模型數(shù)據(jù)進行分析對比，統(tǒng)計水下地形變化量，并把水下三維地形模型與地面實景三維模型相結(jié)合，在該平臺上可顯示水上、水下全三維信息，可查看地形演變等，可監(jiān)視水下地物地貌的細(xì)微變化等。該技術(shù)在堤防安全、潰口、崩岸監(jiān)測及水下裂縫、物體打撈、采砂規(guī)劃治理、水下工程施工監(jiān)測、水底大壩結(jié)構(gòu)等方面具有其他方法不可替代的重要作用，為項目信息化提供更豐富更立體的三維成果，為項目設(shè)計提供更科學(xué)依據(jù)，為水環(huán)境治理、水生態(tài)建設(shè)、河道演變研究、堤圍突發(fā)事件處置的應(yīng)急監(jiān)測、水庫信息化管理等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

2.數(shù)據(jù)采集處理及平臺建設(shè)

因多波束是現(xiàn)代信號處理技術(shù)、高性能計算機技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)及其他相關(guān)高新技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成，我們從外業(yè)測量儀器的安裝觀測、操作等測量過程始都進行嚴(yán)格控制，以確保數(shù)據(jù)的高精度采集、濾波提取及變化量的分析。主要研究多波速測深系統(tǒng)的各參數(shù)校正，對影響到測深的定位時延、橫搖偏差、縱搖偏差和航向偏差進行測定與校準(zhǔn)。經(jīng)過校準(zhǔn)，其綜合測深誤差滿足限差要求后，還應(yīng)在水深大于或等于測區(qū)內(nèi)的最大水深、水下地形平坦的水域采用單波束測深儀（測深精度已校準(zhǔn)且優(yōu)于規(guī)定精度）對系統(tǒng)進行水深精度比對，水深比對不符值的點數(shù)不應(yīng)超過參加總比對點數(shù)的15%，比對不符值的限差按式計算或查多波束水深測量主、檢比對極限誤差圖。數(shù)據(jù)處理之前，應(yīng)先檢查數(shù)據(jù)處理軟件中設(shè)置的投影參數(shù)、橢球體參數(shù)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、各傳感器的位置偏移量、系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)結(jié)合多波束測深系統(tǒng)外業(yè)測量記錄，根據(jù)需要對水深數(shù)據(jù)進行聲速改正、水位改正。應(yīng)對每條測深線的定位數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)分別進行編輯。水深數(shù)據(jù)編輯時，應(yīng)根據(jù)水底地形、各波束測得的水深數(shù)據(jù)的質(zhì)量選擇合理的參數(shù)濾波，然后進行人機交互處理。對于無法判斷的點，應(yīng)從作業(yè)水域、回波個數(shù)、信號質(zhì)量等方面進行分析。數(shù)據(jù)經(jīng)過編輯及各項改正后，再次對所有的水深數(shù)據(jù)進行綜合檢查，根據(jù)各水深的傳播誤差及附近的水深利用表面模型進行評估，剔除不合理水深數(shù)據(jù)，通過精度檢測，測量精度符合相關(guān)規(guī)范要求，然后用于后期的監(jiān)測系統(tǒng)平臺分析。

基于多波束測深技術(shù)測量水深，并把各周期采集及處理后的數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，基于B/S架構(gòu)開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)平臺加以導(dǎo)入分析、統(tǒng)計、監(jiān)測演變及管理應(yīng)用等[2]，融合各種數(shù)據(jù)源進行疊加多樣化顯示，實現(xiàn)監(jiān)測記錄資料、監(jiān)測成果等信息入庫,實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、分析、出圖等功能。B/S是Web興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，這種模式統(tǒng)一了客戶端，基于表現(xiàn)層、邏輯層、數(shù)據(jù)層三層架構(gòu),將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用。客戶機上只要安裝一個瀏覽器，即可實現(xiàn)多客戶訪問、操作計算的目的，簡化客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量。

3.技術(shù)路線及效果

根據(jù)研究目標(biāo)制定了以下工作流程及技術(shù)路線（如圖1），經(jīng)過外業(yè)測繪人員多周期的現(xiàn)場測量采集數(shù)據(jù)對比，相對于單波束測深儀，多波束測量數(shù)據(jù)點密，能夠更精確地測出水下目標(biāo)物的大小、形狀和高低變化，繪制的等深線更詳細(xì)，也更真實地反映地形地貌特征。

圖1 技術(shù)路線圖

同時研究開發(fā)監(jiān)測管理平臺，實現(xiàn)Web端多用戶訪問、外業(yè)測繪數(shù)據(jù)入庫、多周期數(shù)據(jù)對比、各周期水位變化、三維動畫等功能，如圖2。

圖2 監(jiān)測管理平臺主界面圖

4.結(jié)語

通過對多波束測深技術(shù)的研究，顯著提高了工作效率，測深數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，水深數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中自動生成水下地形圖、DEM、三維模型等，通過融合岸上實景三維模型等多數(shù)據(jù)源，建立工程可視化三維平臺，通過各周期的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，以三維動畫方式演示歷史變遷效果，同時分析、計算、統(tǒng)計變化量，實現(xiàn)水流和泥沙模型三維可視化，通過對河流、水庫等多周期的監(jiān)測，進一步加強水利規(guī)劃環(huán)評、水利綜合執(zhí)法、泥沙治理、邊坡穩(wěn)定分析、提升水利生態(tài)環(huán)境，為水生態(tài)建設(shè)提供決策依據(jù)。監(jiān)測平臺將根據(jù)需要拓展、優(yōu)化完善各功能，為水利信息化建設(shè)添磚加瓦。