多波束测深系统在水利工程中的应用

李 明，梁东泽

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 多波束测深系统硬件构成

1.1 声呐发射和接收单元

多波束测深系统中设置了发射换能器阵列，能够形成声波并传输到指定位置，到达水底，反射的声波能够被其它装置获取，即接收换能器阵列，结合发射和接收扇区指向的特征获取信息，主要依据正交性掌握地形信息，对该过程形成的照射脚印分析，可以获取大量测量点的水深值，因此可以确定水下目标的信息，包括尺寸和变化情况等，便于人员掌握水底地形信息并以此为依据绘制三维模型。

1.2 主机单元与笔记本工作站

多波束主机单元的作用是产生波束并实现信号的转换，最终获取数字信号，分析处理该信号确定各项参数，包括测量距离和时间间隔等。同时设置了大量的串行和同步钟接口等，便于与传感器连接并完成数据传输。主要借助网络连接实现与工作站的通信。笔记本工作站中设置了控制软件等，便于人员操作并呈现出各项信息数据，同时可以完成这些信息的分析处理。

1.3 惯导姿态定位设备

由于多波束测深工作时，是一个实时动态过程，定位设备与探头在吃水线以下跟随着船只的摇摆而有着小幅度摆动，需要各种传感设备实时反应出船只的状态，并将采集信息反馈到采集系统，对采集到的数据进行校正，并将其分类为处于稳定状态的船体数据。同时，多波束测量系统平面精确定位需要一套定位系统设备（见图1），以此来确定测点位置，从而得到其坐标。

图1 惯导姿态定位设备

1.4 声速仪

在多波束测量时，涉及到不同类型的声速值。

（1）一种是换能器深度处声速值，称之为表层声速，用于波束形成，需要使用表面声速仪对表层声速进行实时测量，避免造成无法挽回的错误。声速仪发出的声速如果大于空气中传播的声速，那么水下地形图会呈现“凹形”；声速仪发出的声速如果小于空气中传播的声速，那么水下地形图会呈现“凸形”。根据相关试验结果，声速C与温度T存在一定联系，且存在明显相关性。

（2）另一种是水体深度处声速值，即声速剖面，能够确定波束点的各项参数从而确定水深等。考虑到深度改变的情况下，水温会受到影响，因此声速也会有所改变（见图2），另一方面，如果介质物理特性有所调整，声线也会受到影响，传播方向会相应的调整，出现折射等现象，而折射程度与上述声速变化率存在一定联系。所以，声线传播过程中容易受到不同介质的影响，尤其是分层介质，会产生多次折射现象。

图2 深度误差线

2 硬件设备安装

2.1 支架与换能器安装

一般情况下，使用船舷悬挂式安装，在这种状况下，安装支架通常分成固定部分和悬挂部分，都是按照预定方案进行设计和制作的。固定部分焊接在船舷；悬挂部分用螺丝铆紧，必要时，增加前、后、侧拉索。多波束系统的水下换能器必须无遮挡安装，换能器前方的水体中不应有气泡产生。对所选择使用的测量船只而言，换能器探头安装的最合适的位置是其前部接近龙骨的位置，其次才是船舷的一侧。

2.2 GPS天线与姿态仪安装

在舱顶选取位置GPS天线，选取的位置卫星通视良好、没有干扰、布线符合规范。GPS 天线安装在换能器的正上方，两个天线的距离（基线长）建议大于2 m，小于5 m，两个天线的位置可以根据净空情况垂直或平行船龙骨轴线。安装时尽量避免电缆通过舱口或窗口，所有的电缆都有最小弯曲半径，保持最小弯曲半径敷设。

甲板式姿态仪安装的位置应选取干燥的船舱，安装的位置应选取一个和船身贴合的地方固定，水平位置尽量的靠近水面，平面位置选取船的重心。布线尽可能避免从窗门进入船舱，避开甲板通道，不与电线在一起。布线原则基本和GPS天线连接线一样。

2.3 主机安装

由于作业地点一般都在航道上，所以选取位置应找到固定桌子平台，并按照船只的摇晃程度适当使用固定角铁固定。接线时要注意接口的一一对应，切勿大力插拔，线缆均属贵重物品，要注意使用时的维护。

3 多波束校准

考虑到多波束换能器实际安装时难以保持水平，因此该器件与水平面会形成一定角度，主要是对比船只水平面，该角度主要作为纵摇偏差（pitch）；该角度集中在纵向上，针对垂直方向，一般构成了横摇偏差（roll）。

在实时测量过程中，由于船体的运动导致换能器与水平面之间也产生一个动态夹角，所以每一个横摇角与纵摇角都包含一个动态分量和静态分量。动态分量是因水波、海涌、风浪等外界原因造成，可以通过姿态仪予以校正（见图3）；静态分量是由于设备安装造成的，即平时所说的横摇偏角和纵摇偏角。

图3 多波束校准

两天线安装的指向与换能器指向可能存在偏差，这个偏差叫艏向偏差（heading）。

4 应用实例

那板水库是一座集防洪、灌溉、水力发电、城镇供水及养殖等功能大（2）型水库，水库集雨面积490 km2，总库容8.32 亿m3，设计灌溉农田3.5 万亩。运用多波束测深系统对库底地形进行监测，为完善水库崩岸监测体系提供重要的监测手段。

4.1 建立测区控制网

收集整理那板水库淤积物数据，总结目前那板水库淤积物的现状问题，收集整理库区周边生态环境和地形地貌特征，了解库区监测的重点难点，建立库区四等平面、高程控制网，将库区坐标系统统一到国家标准坐标系统框架下，并建立相应等级的变形监测基准点、工作基点。基本平面控制网不应低于五等，重要水库不应低于四等。基本高程控制网不应低于四等。平面和高程控制网应包括水库最高蓄水位的淹没、浸没、塌岸和水库淤积、回水发展可能影响到的地区。为地形图测绘、断面测绘、水位测量等提供坐标、高程起算依据，实现坐标高程基准的统一，为后续各项监测提供基准点框架。

4.2 水下地形测量

选择在枯水季节测量，在总结现有那板水库水下地形分布的基础上，采用GNSS 设备与上述测深系统完成测量工作，获取水下地形信息，包括横断面端点测量和纵横断面测量，基本保障水下每0.1 m2区域有点，密集的点形成了水下的点云图，经过去噪等处理后生成高度还原的水下地形三维模型和三维等深线、平面二维等深线、等高线，为库容计算提供精准的数据。其次，结合库区安全运行管理和水质优化目标，以问题为导向，研究提出减少泥沙入库和清除水库淤积的措施等内容，为同类水库工程的水环境治理和防治积累资料和经验。测量比例尺为1∶1000，同时须测量水位高程。同一库段测图比例尺一经选定不宜变动。经过技术处理，绘制水下地形图（见图4）及建立水下三维模型（见图5），实现首次完善和查看水库建库以来的真实地形地貌信息。

图4 水下地形图

图5 水下三维模型

水下地形测量的重点是现场数据采集，为了确保数据准确，需要采取必要的措施，比如对仪器实时监视，采集数据的信噪比，以及测量范围。同时固定仪器的船舶需要匀速前行，根据现场的实际情况调整船速，避免收集到的每个原始数据文件过大，而导致原始数据出现异常情况。若传感器无法正常工作，需要停止测量工作，找出系统中存在的问题。如果回波信号质量不满足要求，需要改变发射和接收模式，调整各项参数，从而提高多波束信号质量。如果采集数据范围较窄，数据不完整，导致测深结果精度不高时，应采取补测等方式处理。

在实际测量时研究单波束测量数据，发现测量数据具有一定特征，如数据点密度较高。能够获取水下目标相关信息，包括尺寸等。以这些数据为依据绘制等深线，能够准确表示地形特征，查看其中包含的沙坡和石堆等。，

4.3 固定断面测量

水文剖面测量一般是在水流速度变化处布设，如转弯处、宽库区或者窄库区，间距在500～3000 m之间，能够体现出纵横方向的转折变化，正确反应库底地形情况。宜两岸埋设永久性固定断面标志，固定断面标志平面应不低于二级图根点精度，高程应不低于五等水准精度。每次监测位置固定，不宜改动。采用北斗GNSS结合测深仪对断面位置地形进行监测，监测断面位置的地形变化，推算库区淤积，同时进行库水位监测，用于计算库容。

在测量区域的关键部位设置剖面，使用相同的剖面桩进行剖面测量。以1∶2000 的比例尺对固定剖面进行对比测量，并绘制剖面图。在处理测量数据时，主要对河流高程数据进行分析，并以此为基础绘制图例，其中涉及到大量不同测量次数的剖面数据。用不同的颜色和线形表示不同监测调查次数的剖面。根据剖面图中的纵横坐标进行对比分析，计算河堤水下地形的变化，得出结果。固定剖面对比图见图6，断面位置示意图见图7。

图6 固定剖面对比图

图7 断面位置示意图

4.4 水库监测管理平台

那板水库力争打造为广西壮族自治区“智慧化”管理的标杆，需对水库的各种基础信息、数据全方面掌握，以利于以后的监督、管理和维护。那板水库虽已先后建设支撑水库工程安全、防洪等业务管理的信息系统，但没有统筹兼顾各种信息系统的建设，致使各类数据相互独立，分散式存储，存在数据壁垒和信息孤岛现象，无法实现数据资源的整合和共享。基于B/S 构架开发水库监测管理平台（见图8），全面融合激光雷达数据、多波束测深数据、影像数据、三维数据等多源数据，根据水库淤积的分布、演变情况，对不同水位下库容的影响情况进行分析、统计，自动生成各类图表，形象生动地显示库区淤积情况和分布。数据平台提供二次开发接入的接口，方便数据的互通互用，同时也可整合或纳入其他平台，实现数据资源的整合和共享。

图8 水库监测管理平台

5 存在的问题

为了能够对那板水库的变化情况进行实时了解，那板水库管理处每年都会对关键的崩岸段、河势控制区域进行水下地形监控，监控的距离达到了20 多公里，对水库的监控数据进行了主要的分析，并给出了那板水库崩岸预警的基本资料。但是，在应用过程中也会出现以下问题。

（1）由于多波束测距所需的资料非常庞大，而且后期的内部加工工作比较繁琐，人为的介入会导致加工的准确性受到很大的影响。在水急水浅的地区，这个系统的工作效率比较差，经过测试发现：这个系统在深水（＞3 m）区域的大比例尺、小范围测图方面，有着传统的测深系统所不能相比的优势，但是它并不适合进行浅水、小比例尺的测量[1]。

（2）考虑到多波束测深系统具有一定缺陷，如灵活性不高，安装流程过于复杂，操作难度较高，对比单波束测深系统，该系统耗费了大量的人力物力资源，人员需要完成外业操作和内业处理等工作，工作效率较低[2]。

（3）多波束测深系统可能形成明显的误差，而且往往难以发现。多波束测深系统运行过程中容易受到各种因素的影响，如水流、系统参数和测船等。所以，在测量期间，应合理设置各个设备的位置，加强质量控制，做好精度评估工作，确保测量工作顺利开展，提高测深精度。正确处理船舶测量时的吃水深度，测量船的横摇纵摇对测量结果至关重要，应加强测定。

（4）在数据后处理时，还需要重新对各种校正参数进行核对，是否有人工输错或是因外界条件影响导致偏差。

6 结语

近几年，利用多波束水深测量技术，收集了那板水库崩岸区的水底资料，并进行了观测与对比，在此基础上，探讨崩岸区溃决及其预测方法，并对崩岸区进行主动防护，以保证水库水位不会有较大的改变。按照水库水位的变动特征，在洪峰之前和洪峰之后，增加对大坝的监控次数，并为收集到的监控数据创建一个特殊的地理资讯资料库，为水库水环境治理、水资源保护以及水工程建设与养护等方面的研究提供技术支撑。