现代多波束测量在疏浚工程中的应用

摘要：本文以天津港航道疏浚工程为例，介绍了以LRK DGPS 定位系统和多波束测深系统集成应用为基础，在计算机软件平台上进行的高效、高精度的多波束测量方法。该方法采用目前国际海洋测量领域诸多先进技术，如LRK 三维定位技术、多波束测深技术、利用秒脉冲PPS（Pulse-Per-Second）消除导航延时技术、潮位遥报技术、基准台站的电源遥控技术、无线上网数据发送技术等，优化内、外业数据处理方法，使得内、外业工作同时进行，几乎同时结束。采用该方法最大程度地提高了多波束测量作业效率，测量外业结束后立即可以提交测量成果，对疏浚施工的高效进行提供了有力的测量技术支持。

关键词：多波束测深、LRK 三维定位、内外业同步、秒脉冲PPS

中图分类号：U61文献标识码： A 文章编号：

1 引言

随着疏浚技术的发展，浅水多波束（以下简称多波束）因其系统构成复杂，采集数据量极大，数据处理任务繁重，而且市场上设备型号冗杂、不统一，已不能更好的满足现代疏浚工程的需要。因而，总结一套高效率、高精度的多波束测量作业方法对疏浚工程来说至关重要。下面以天津港航道疏浚工程施工测量为例，介绍一套以LRK DGPS 定位系统和多波束测深系统为基础，在计算机软件平台上进行的高效、高精度的多波束测量方法。

2 测量船的选择

测量船是利用多波束系统进行水深测量的载体，其优劣直接影响测量的效率。一般情况下，应根据测区的自然条件，如海域的开阔程度、海浪的波高、波长、坏天气出现的频率等来选择测量船的船型、船长、吃水、船速等参数。由于进行水深测量时的船舶航向是一定的（测量线是事先设计好的），不能随意改变，所以应尽量不要选择与作业海区波浪的波长相近长度的测量船，以避免“中拱”或“中垂”现象的发生。根据测量船上用电设备的负荷，配备性能稳定的发电机组，以保证测量设备及生活用电。多波束测量设备为贵重、精密的测量设备，为减少其受温度、湿度的影响，设备操作间内应配备空调设备。水深测量为高机动性海上作业，为保证航行安全，测量船上应配备雷达、甚高频电话等相关通讯设备。

3 测量设备的选择

3.1 定位设备的选择

水深测量定位设备一般分光学定位设备（如：全站仪、经纬仪、六分仪等）和无线电定位设备（如：微波定位仪、卫星定位仪等），随着卫星定位技术的发展，在水深测量中光学定位设备和微波定位仪已经被淘汰，目前广泛应用的为卫星定位设备，而在众多的卫星定位系统中，美国的GPS 定位系统应用最为广泛。

定位设备的精度对水深测量精度的影响是直接的。反映在水深点的精度上还与水下地形的复杂程度、水下地形坡度有关，这是因为对水深点的精度评价是通过标注在水深图具置上的水深是否准确为依据的。

不同的疏浚工程施工测量，需选用不同的定位设备。对于坡度较大且开挖要求较高疏浚工程，如：基槽等，应选用精度较高RTK-DGPS 定位设备；对于坡度较小的疏浚工程，如：港池、航道等，可选用伪距差分加载波相位平滑功能的DGPS；对于远海的疏浚项目，应优先选用星站差分DGPS 设备。另外，测量船上应有备用的定位设备，以备应急之需。

3.2 测深设备的选择

目前国际市场上多波束系统的型号较多，工作原理、数据处理方式也不尽相同，应根据疏浚工程的不同状况来选择合适的多波束测深系统。对于软底质、海水混浊度大的疏浚项目，宜选择频率低（如：200 KHZ 左右），波束角为1.5°左右的多波束系统；对于硬底质（如：岩石）的疏浚项目，宜选用高频率、波束角为0.5°的多波束测深系统。不论选择何种多波束测深系统，其中央波束的质量一定要好，否则测量效率和质量将受到较大影响。

4 设备的安装

4.1 定位设备的安装

在天津港航道疏浚工程中，施工测量采用RTK-DGPS 定位设备。RTK-DGPS 差分数据传输的距离除和设备的数据链性能有关外，还和基准台数据链电台天线的安设高度、测量船接收电台天线的安设高度有关。数据链电台使用超短波频率，超短波通信从理论上讲，只能在视距范围内进行。视距与发射台、接收台高度的理论见公式

D---- 视距。单位为公里

h1-----基准台数据链电台天线的安设高度。单位为米；

h2-----运动载体数据链电台天线的安设高度。单位为米。

按以上理论计算公式，要使信号传输距离达到40 公里以上，船台天线高度为9 米，

基准台天线高度不应小于49 米，根据天津港区建筑物的现状，选择了天津港交管中心的VTS 塔作为基准站的位置，天线安设高度为88 米（从天津港理论最低潮面起算）。根据实测数据，在传输距离达到45 公里时，船台接收到的信号还具有27db 的较高信噪比。船台GPS 天线、数据链电台天线的安装高度要高过雷达天线，以减小雷达波对其接收信号质量的影响。

4.2 测深设备的安装

对于多波束测量而言，换能器的安装非常重要，一般安装方式有船舷悬挂式安装和船底安装。

1、船舷悬挂式安装，见图1：

图1 船舷悬挂式安装图

2、“月亮池”式船底安装，见图2：

图2 “月亮池”式船底安装图

这两种方式均可保持换能器安装姿态稳定，且采用手拉葫芦升降换能器，测量完毕后即可把换能器收到船舷以内，海面以上，并可用淡水冲洗换能器，以减小海水的腐蚀。尤其是“月亮池”式安装，施放换能器仅需一人操作，1 分钟内即可完成。

4.3 姿态传感器、电罗经的安装

在多波束测量中，三维姿态传感器、电罗经起着至关重要的作用，水深的三维补偿、波束脚印的定位等都需要姿态、罗经数据进行改正。一般情况下，三维姿态传感器应安装在测量船的重心位置，电罗经应安装在船舶中轴线上，它们的轴线都应与船的中轴线方向保持一致。

5 多波束测深系统的校准

5.1 建立船体坐标系

多波束测深是一个多系统协同工作的结果，在作业前必须明确各个传感器的相对位置，为此需建立船体坐标系。船体坐标系的原点位于船舶的重心，一般情况下，姿态传感器安装在船舶的重心附近，因此，常常把把姿态传感器的测量点作为船体坐标系的原点。然后利用钢尺配合水平尺量出各个传感器在船体坐标系中的三维坐标，精确度应小于±0.01 米。

5.2 应用秒脉冲PPS 消除导航延时

多波束测量中存在定位系统和测深系统时间不同步的现象，称为“导航延时”，通常可以采用系统校准的方法来减小其影响，但不能完全消除。为了完全消除“导航延时”的影响，我们采用PPS 系统来同步定位系统和多波束测深系统。从导航设备（DGPS）输出秒脉冲和时间信息，采集计算机获取这一信息后同步把时间信息传递给多波束测深主机，这时从多波束主机输出的水深数据中即加入了相同的时间标签。从而解决了定位系统和测深系统时间不同步的问题，提高了测量精度。

5.3 多波束校准场地的选择

多波束系统的测量精度很大程度上取决于测量前系统严格的校准，选择合适的校准场地非常关键。校准场地需既有平坦区域，又有水深变化剧烈的区域，一般选择自然水深为10 米左右的航槽明显的航道区域，测线长度一般为1 公里，一端跨越航槽，另有大部分位于平坦区域。然后采集数据，船速要与正常测量时速度相同，经专用软件处理后可计算出校准参数----横摇、纵摇和航向偏差。

6 外业测量

6.1 测量线布设原则

1、对于港池区域，应平行长边布设，减少测量船调头次数。

2、对于航道区域，应平行于航道轴线布设，在航道底边线处布设一条测线，以用中央波束扫侧底角区域，保证开挖质量。

3、对于长距离的航道应根据疏浚船舶施工情况分段布设测线，每段长度不应超过5000 米。

4、测线间距应根据水深情况调整，以保证两条测线间有足够的重叠。

6.2 水位控制

对于长距离的航道疏浚工程来说，水位控制是关键。一般情况下，验潮站只能安装在海岸边，而航道要垂向海岸向外延伸十几千米，有的甚至数十千米，显然无法用岸边的验潮站来控制整个航道的水位。对于有特出建筑物的海域，如海洋中建有灯塔，在上面设立验潮站，可以解决灯塔与岸边之间的水位问题，但灯塔以外航道的水位仍不能控制。

严格意义上讲，验潮站所测定的水位只代表验潮站所在地的水位，根据测区潮差大小、测深精度等可确定验潮站的控制范围。在满足规范要求的前提下，相临验潮站间且不能被验潮站覆盖的区域可采用水位分带改正的方法解决。为弥补上述方法的不足，在天津港航道疏浚工程中，我们采用LRK 在航潮位来控制航道30+0 至44+0 的水位，应用该方法可实时测定测量船处的水位，在测量过程中实时进行水位改正，即提高了测量效率，又提高了测量精度。

6.3 外业数据采集

测区水质浑浊是难以避免的，这样就给多波束测深信号的传播造成很大的损失，如何保证好的外业采集数据信号成为了测量质量控制的关键。“采集干净的数据是最好的数据后处理！！！”，这是外业数据采集的原则。数据采集是一个实时动态过程，在此期间水质和地形是不断变化的，对于外业操作来说如何保证实时测量的优质信号显得尤为重要。多波束测深系统是多系统协同工作的过程，对测量工程师来说，对测深信号的判断能力非常重要，如何调节好各系统使其易于分辨、就信号的优劣进行适当的调整与删减是操作的关键。

7 内业数据处理

多波束测量采集的数据量非常大，声纳测量又不可避免地受海洋环境的影响而产生噪声（即假水深），数据处理工作的质量将直接影响测量成果的质量；提供测量成果的及时性也往往取决于数据处理的速度。尽管一般的采集软件提供了在线实时滤波处理功能，但往往不能将假水深剔除干净，必须进行交互式的人工后处理。为此，我们在测量船上布置了内业数据处理计算机，并将数据采集计算机和数据处理计算机通过以太网线连接，实现了数据共享。这样就可以在一条测线的数据采集完成后立即进入交互式数据

后处理流程，见图3。全部测量完成时，内业滤波处理也基本同时完成。

图3：多波束数据处理中的交互编辑界面

为保证测量数据能够真实反映水下地形情况，数据处理以1m×1m 为单元进行，最终测量成果以2m×2m 的水深格网形式提供，完全可以满足自航耙吸挖泥船施工的要求。通过这种方式进行数据后处理，最大程度地提高了测量作业效率，外业测量完毕后立即就能提供测量成果。

8 测量成果的提供

测量船上配备了无线上网设备，施工船舶急需的区域测量数据或数据量较小时，采用无线上网方式发送。对于较大量的测量数据，通常在测量船靠码头后使用有线宽带ADSL 向工程管理部门和施工船发送测量成果。

9 结束语

采用该多波束测量方法后，项目部和挖泥船可提前一天得到更新的全覆盖测量数据，挖泥船根据及时更新后的测量数据进行施工，可及时调整施工顺序，减少形成高差较大的垄沟，提高了挖泥船的施工效率。在扫浅阶段，减少了挖泥船挖除浅点、浅区的盲目性和不确定性，提高了挖泥船扫浅施工的有效性，为疏浚工程的高效进行和工期的提前奠定了坚实的基础。

参考文献

[1] 刘树东 论浅水多波束测量质量保证措施 《港工技术》 2007 年第2 期

[2] 刘雁春 海洋测深空间结构及其数据处理[M]. 北京:测绘出版社,2002.