第5代多波束测深系统在江河湖泊的监测应用

向 亮

（广东省水文局佛山水文测报中心，广东 佛山 528000）

1 基本介绍

自 20 世纪 80 年代研制出世界上第 1 台便携式多波束测深仪以来，到现在已经历 4 次换代，R2 Sonic 2022 是基于第 5 代声呐结构的多波束测深系统，代表目前最先进的测深系统，结构设计紧凑，便于携带，适用于江河海洋地形扫描。该系统具有在线调频功能，用户可以有 20 多个工作频率选择使用；条带覆盖角度在线可调，在 10～160° 范围内，解决了码头、防波堤、大坝、桥桩或者桥墩等垂直面的检测难题；高分辨率，拥有 256 个波束，波束角为 1.0°×1.0°。

2 同传统法测量技术的对比

传统的测量技术是利用回声测深仪的水声换能器垂直向水下发射和接收回波，根据波束的往返时间及声速确定水深；多波束测深系统是在传统测深仪的基础上发展起来的，能在与航迹垂直的平面内1 次给出若干深度，获得 1 条一定宽度的全覆盖水深条带[1]。为检验多波束测深系统的性能，选择一河道边坡，使用多波束测深系统与传统回声测深仪进行研究测量。

2.1 动静态水深比测

由于 R2 Sonic 2022 多波束测深系统采用 1.0°×1.0° 超窄波束角全覆盖测量，数据详细，在每个测区都有足够的测点参与计算，保证了成图的质量，更能体现横断面细节起伏变化；传统测深仪的测点间距过大，波束角较大，对水底地形的反应比较粗糙，对一些微地形测量时容易产生较大深度误差[2]。

动态比测结果反映，10～18 m 的水深，不符值在 10 cm 以内；18～25 m 的水深，不符值在 20 cm以内。水深平均误差为 0.10 m，综合相对误差为0.68%，满足国家行业标准 SL257-2000《水道观测规范》“各类测深方法及仪具的单项测深误差，应控制在 ±0.10 m 以内，综合相对误差不应大于水深的1%”[3]的要求。

通过静态比测，测深值无系统偏差，10～18 m的 119 个测深样本，水深值误差在 7 cm 以内，18～25 m 的 102 个测深样本，水深误差在 15 cm 以内，221 个静态测深样本平均测深误差为 0.08 m；与测深仪所测水深的绝对误差为 0.09 m，满足国家行业标准 SL257-2000《水道观测规范》要求，可见多波速水下测量系统精度是可靠的。

2.2 数字地形图对比

图1 是多波束测量数字地形图，图 2 是传统法测量数字地形图，通过图 1 和 2 对比，可见相对于传统测深仪，多波束测量数据点密，能够更精确地测出水下目标物的大小、形状和高低变化，绘制的等深线更详细，也更真实地反映地形地貌特征。

图1 多波束测量数字地形图

图2 传统法测量数字地形图

2.3 面积对比

R2 Sonic 2022 多波束测深系统可以在测量过程中根据实际环境调整系统频率和扇面角，在水深不超过 50 m 的水域中，能保证测点距为 1 m 或更小；而传统测深仪波束角固定且比较大，测点距只能勉强达到 5 m。利用传统测深仪数据绘制了 5 m 点距的地形图，用多波束数据按不同点距绘制了 1～4 m 的地形图，分别建立 DTM 模型，计算不同等深线所围面积，并计算相对误差（传统测深仪和多波束测深系统在不同等深线计算的面积差值，与多波束测深系统计算面积的百分比），具体如表1 所示。由表1可见随着更细化的地形，面积相差越大，最大的接近 36%，说明多波束能更全面地反映每个地形的细节情况。

表1 2 种方法面积计算对比表

3 在江河湖泊地形监测中的应用

3.1 河道险工险段监测及整治

珠江三角洲中下游地区河网密集分布，水势复杂，近年河道下切变化大，给堤围安全造成很大威胁。利用多波束高精确度、高分辨率的优点，对河道进行地形测量，使监测数据更加准确直观，为治理险段提供基础数据和技术支撑。图 3 为某险段的水下地形图，是典型的座弯冲顶、深坑迫岸地形，洪水后边坡出现险情。在提供基础数据后，采取了抛石护岸整治工程措施，图 4 险段治理后水下地形现状。

图3 险段治理前水下地形

图4 险段治理后水下地形

根据图 3 和 4 的对比，直观的图像可反映治理后的效果，将几条丁坝完整地体现出来。

根据原始数据绘制的数字地形图如图 5 所示，得到横断面边坡比计算表如表2 所示，表明在连续50 m 范围内坡度趋缓了，这样以数据和图从多角度体现工程的效果，对工程的设计、施工和验收起到关键作用。

图5 数字地形图

表2 边坡对比表

3.2 水库水下地形测量

利用多波束采用全覆盖测量方式这一优点，可获得更精密的数据，能够更加真实清楚地反映水库水下情况，为库容曲线的计算，评估水库的滞洪、蓄洪能力提供依据。

图6 为利用多波束测深系统测量结果绘制的南海区东风水库的水位库容曲线图，水下地形监测的数据精度越高，计算的库容越正确。可为水库的管理、清淤提供基础数据和技术支撑。

图6 南海区东风水库的水位库容曲线图

3.3 水利应急抢险监测

R2 Sonic 2022 多波束测深系统最大特点是可以实时观测到水下地形三维彩图、直观的云点图。通过 3G 网络通讯技术实现了远程监控，建立实时传输系统，把现场测量软件显示信息（如多波束条带图、云点图等）、船载摄像头所拍摄的测区情况，以及测量得到的初步成果，通过 3G 网络传送给指挥部。远程监控传输系统如图 7 所示。

图7 远程监控传输系统

水利应急抢险监测系统实现了远程传输现场测量情况，在线监测险情动态变化，可通过数字与三维模型分析计算冲淤量、横断面、边坡等变化，为抢险救灾制定决策，提供基础资料，为快速制定抢险决策提供科学依据，同时减少了水下作业风险程度。

3.4 河道演变趋势研究

多波束具有导航轨迹存储和回放功能，可对同一水域进行多年对照测量。可提供高分辨率的水下地形图、横断面图、深泓图和三维图，能够反映细节的变化，可做出河道变化、演变的研究。

图8 是某河道 2004——2011 年的变化趋势，图中虚线是 2004 年等深线，实线是 2011 年等深线，可见左岸原来 -17 m 的等深线现已经是扩大到 -21 m，右岸处深坑面积扩大，底部有所淤积。

图8 等深线变化图

4 结语

通过对比 R2 Sonic 2022 多波束测深系统与传统回声测深仪的操作使用及测量效果，第 5 代多波束测深系统的便捷、高效、灵活、准确等先进性显而易见，不仅在河道整治、应急抢险等方面得到应用，在数字河道建设、电子航道、水下物探、桥梁施工等方面也起到非常重要的作用。近年来多波束技术迅速发展，在海洋、河道的应用也日趋成熟。多波束的实效性、数据的准确性、高密度性、工作效率的高效性是以后多波束技术发展的前景[4]。

[1]刘经南，赵建虎. 多波束测深及图像数据处理[M]. 武汉：武汉大学出版社，2008: 27-32.

[2]刘经南，赵建虎. 多波束测深系统的现状和发展趋势[J].海洋测绘，2002, 22 (5) :3-6.

[3]谭良，全小龙，张黎明. 多波束测深系统在水下工程监测中的应用[J]. 全球定位系统，2009 (1): 38-42.

[4]邹家忠，周刚炎，朱晓原，等. 水道测量规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2000: 22-23.