多波束测深系统在扫海工程中的应用

多波束测深系统在扫海工程中的应用

王冲

海南海东青勘测设计咨询有限公司，海南 海口 570100

摘要：随着科技的快速发展，海洋测绘技术随着测绘设备的更新取得了较大的进步。过去海洋工程的扫海作业常用软式（或硬式）拖底的方式进行，需要的配套船舶较多，工作效率相对较低，目标判别的难度也较高。随着多波束测量系统的使用，许多扫海作业逐渐被多波束水下地形全覆盖测量所代替。多波束测深系统能对所测水域进行全覆盖测量，能够客观全面地反映所测水域的海底地形。其单个扫道的扫宽可达测量区域水深的4~10倍，扫海效率较高。同时，多波束的扫测精度较高，其水深点间距可小到几十cm之内，对于水下目标的外形直观判断、位置、深度准确获取都有着极大的优势。

关键词：港口;多波束;校准;扫海测深;

多波束测深系统作为一种新型高效水深测量仪器在工程中得到广泛应用。简要介绍多波束扫海的系统组成及作业流程。指出利用多波束系统进行扫海是一种高效、高精度的重要手段，有利于类似工程参考。随着我国海洋大开发战略的深入推进,对海岛的开发利用成为一项基础性工程,而海岛周边海域的地形地貌数据则是十分关键的支撑数据。海底地形测量是一项基础性海洋测绘工作,主要通过测量海底点的三维坐标来构建海底地形地貌。海底地形测量的核心是水深测量,长期以来,水深测量经历了从人工到电子化,再到单波束技术的变革。近年来,又从基于单波束的点线测量模式发展到基于多波束的面状全覆盖测量模式,极大地提高了测量精度和效率。水深测量技术需要与定位技术同步结合才能获得水深点的三维坐标,目前主要借助全球卫星导航定位技术来实现水深点的定位。在应用中可以根据需要选择RTK、PPK、PPP等技术,3种定位技术均可获得厘米级的垂直解,实际工作中多采用基于区域CORS系统、单基准站CORS或者临时基准站实现测区的定位。水深测量技术还需搭载稳定的船体才能实现在海域内的测量,同时还需同步开展潮位、定位和声速测量,以提高测量精度。为了获得某海岛停泊水域、回旋水域水下地形,本文将多波束测深系统应用于海岛周边海域的地形测量,详细地介绍了多波束测深关键技术和精度提高方法,并采用与主测线方向垂直的检查线和单波束检查线进行内外符合检查。

1多波束测深技术

多波束测深系统是近年来广泛采用的水深测量系统,具有分辨率高、精度高、覆盖范围大、自动化成图、效率高等特点。该系统由多个角度固定的正交换能器组成,换能器向水下发射声波,再通过接收器得到与行船方向垂直的窄波束,据此探测水下地形数据。因采用探测仪器的不同,多波束测深系统在进行水深测量的作业过程和测量精度也存在很大差异。SeaBatT20-P多波束测深仪是一套使用简单的便携式系统,具有超高分辨率和独特的横摇稳定功能,它以165°的覆盖宽度采集水深数据,拥有独特波束形成技术,最大水深可达500m。其具备多频功能,可以通过在线切换有效解决频率干扰问题,也可以通过在线调节条带覆盖角度,获得超多的波束个数。

2外业施测

多波束测量系统是一个集当代电子技术、计算机技术、卫星定位技术等先进技术为一体的综合性测量系统，其数据记录方法、仪器校准方法以及后处理技术方法等都与传统水下测量的方法有所不同。展现在测量技术人员面前的是一个集换能器姿态、陀螺罗经、运动补偿器、GPS等传感器信息构成的综合复杂的数据采集与处理的综合性系统。

根据测区范围坐标及已有水深资料，沿等深线走向或者航道方向布设主测深线，主测深线的间距应不大于有效测深宽度的80%。垂直于主测线方向布设检查线。现场扫测并进行实时监控，对未覆盖到的或者不符合覆盖要求的区域及时进行补测。测线间距布设的原则是测线间距小于有效扫宽。多波束测深仪的覆盖宽度有效值一般取为测区平均水深的4～6倍，然后删除边缘波束水深值。这种作业方式虽然增加了外业工作量，但减少了大量内业处理量，并提高了水深精度。

1.1偏移校准

现场将各种设备及传感器安装牢固以后，建立船体坐标系，平面位置以姿态传感器为原点，X轴以向右为正，Y轴以船艏方向为正；深度方向以水面为零点，向上为正，向下为负；施测前对各安装设备的相对位置进行准确测量，读数至1cm，往返各测一次，在限差范围内取其均值作为测量结果。

1.2多波束探头安装偏差校准

Sonic2022多波束系统具有PPS功能，能够实现GPSUTC时间和电脑时间的同步。因此，本次测量仅需进行横摇、纵摇和艏向校准。

1）横摇误差校准。横摇误差将带来水深测量值误差，它将随着离开中央波束夹角的增大和水深值的增大而增大。为了确定横摇误差，选择洋山一期码头前沿一块约20m深的平坦水域，布置一条长约200m的校准测线，船以5～8kn速度沿测线正反方向各航线一次，两次测量航行速度相同，但方向相反。

2）纵摇误差校准。纵摇偏移量也会导致定位误差，这种误差是纵摇偏移量和水深的函数。为了确定纵摇误差，在测区选择一片约10~80m的陡坎（坡度10°以上）水域地形，布置一条长约200m的校准测线，船以5～8kn同样速度在测线上正反向各测量一次，两次测量航行速度相同，但方向相反。

3）艏向校准。艏摇偏移量来自水平面上的角度误差，即船的罗经轴线和换能器阵的Z轴之间的夹角。艏摇偏移量不会对中央波束带来影响，但对边沿波束的定位会带来误差，定位误差的大小随着深度的增大而增大。

为了确定艏摇误差，利用纵摇校正时的相同测区。在陡坎（坡度10°以上）两侧布置两条长约200m长的平行测线。测线间距为约三倍水深，船以5～8kn速度在每条测线上各采集两次数据，两次测量以相同的速度航行，方向相同。

2内业数据处理

2.1三维图

采用多波束数据后处理系统CARISHIPSandSIPS7.0进行数据后处理，生成测区三维地形图，并按7m间隔抽稀生成*.txt的水深值文本文件。结果表明,中误差小于0.02m,符合《水运工程测量规范》要求。在多波束系统安装完毕后,使用钢卷尺对多波束探头、姿态传感器的相对位置进行准确的丈量,并将相应的位置信息输入到导航和采集软件中。

2.2水深平面图

对于港池、航道等通航水域进行扫海测量的主要目的是提供水深图，确定该水域的最浅水深。为满足工程项目的需要，通常选择1：1000的比例尺进行施测。

3精度分析

通过交叉比对和统计分析，本次测量水深内符合精度在±0.1m以内；本次多波束检查线和主测线水深值比对，96%的水深值比对误差在±0.1m以内。为获取某海岛停泊水域水下地形情况,采用宽带多波束测深系统结合POSMV进行扫海测量,获得了停泊水域、回旋水域可视化和定量化的地形数据。内外符合精度的统计结果表明,基于多波束测深系统的扫海技术,能够保证测量精度。本文的研究结果可以为相关工程应用提供参考。

4结论

多波束的扫测，所需的人员及船机设备较少，对于一些新（扩）建港口的码头、港池施工工程，由于其环境复杂，工前利用多波束进行扫海有着极大的优势。同时，多波束测量成果对通航水域中危及航行安全的特殊浅点的探测也是一种非常有效的测量手段。将多波束应用于扫海测量，其测量效率高、测量成果准确，是提高海洋工程施工效率、降低施工风险的主要测量手段之一。

参考文献

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