应用多波束的海洋工程测量技术研究

王昆

摘 要：本文基于笔者多年从事航道测量工程的相关工作经验，以SEABAT8125多波束测深系统在天津某航道疏浚工程中的应用为研究对象，探讨了多波束测深系统安装测试方法、定位导航实施方法，及测量步骤与数据处理思路。全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鑒意义。

关键词：多波束测深系统 航道疏浚 数据处理 导航

中图分类号：P229.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（c）-0052-02

1 工程概况

天津某港30万吨级航道工程是按照已投入使用的25 万吨级航道的轴线，进一步浚深，全长54.90km。外航道设计底宽310m，底标高-21.6m，边坡1∶5；内航道设计底宽310m，底标高-21.9m，边坡1∶5。

2 多波束测深系统安装测试

本工程中投入SEABAT8125多波束系统进行测量实施。该系统在引进后就一直都是安装在固定的测量船的固定位置上，所以系统进行使用都是整体工作的。

多波束测深系统的各部分，按设计位置进行安装，并量测DGPS接收机天线、多束换能器、运动传感器（TTS）、电罗经等相对船体坐标系原点的位置关系。量测各传感器相对船体坐标原点的偏移量，以便在数据处理时进行相应的改正。

2.1 电罗经传感器的安装

电罗经的安装位置有着严格的要求，电罗经传感器应安装在船舶中心附近，电罗经指示方向应与船首方向一致，并且要求在船体坐标系的水平面内。安装位置应远离导磁物质或易被磁化的物质；电罗经与较大的铁性物体、强电流的电线及电池组至少保持1.3～1.5m的距离；一些电子设备（如计算机、电视显示器、雷达磁控管、扩音器、UPS不间断电源装置等）的使用会影响电罗经的正常工作，使其测出的方向数据失真或干忧，应远离它们。

2.2 运动传感器（运动补偿仪，TTS）的安装

运动传感器应固定安装，并尽可能与水平面平行；运动传感器离船舶重心越远，船舶纵横倾幅度越大，产生的测量误差也越大，所以安装位置应在船舶的重心或尽可能靠近重心；运动传感器的安装具有方向性，其罩壳上的指示方向应与船首方向一致，否则将产生反向改正，造成严重误差。

2.3 多波束换能器的安装

多波束换能器的安装主要取决于船型和船的结构，同时还应考虑多波束测深系统使用的水域。如在内河测量，因受风浪的程度较小，可以安装在船首；而在潮汐河口或近海水域，因受风浪的程度较大，宜采用船舷固定安装。安装时要注意固定好，以免测量换能器产生抖动，下沉。此外，还考虑换能器的安全性，以免在靠离码头碰撞损坏，建议安装的换能器，还具有可拆卸或可移动的功能。

2.4 DGPS接收机天线的安装

DGPS接收机天线应安装在船舶高处（低于避雷针），视场内障碍物的高度角不能超过10°；尽可能远离船舶主桅杆；尽量远离大功率的无线电发射信号源（如雷达、高频电话天线等）；天线安装要稳固，避免船舶姿态变化使其产生位移；天线位置应选择远离船体大型金属物体结构，距甲板高度至少在1.5m以上，减少信号多路径效应。

系统安装后，应进行测试，测试可分为通电测试和航行测试。通电测试：在静态状态下进行，检查系统各部分电缆连接是否良好牢靠、正确无误；检查接地是否正确、牢靠；检查供电电源输出电压是否正常，以及直流供电的极性是否正确无误；一切正常后，开始目测系统各部分的通电运行状况、信号的稳定性和数据的通信情况。

航行测试：要选择适宜水域设测多条往返重复测线进行横倾、纵倾、定位延迟、电罗经偏差等系统参数改正。此外，在测试过程中还要检查、测试DGPS接收机、声速剖面仪、电罗径等是否工作正常。

目前，上述各测试项目不仅仅是安装测试的要求，而且已列为每个航次或承接新测量项目之前，必须要做的工工作。

3 定位导航

本项目水深测量作业平面定位拟全部采用RBN-DGPS技术实施。由于GPS获取的是WGS-84坐标，而测量成图所用的坐标系为当地坐标系。因此，在测量前必须先求取WGS-84到当地坐标系之间的坐标转换参数。

WGS-84坐标系至当地坐标系之间的坐标转换参数可直接利用业主控制点（业主提供或从当地测绘主管部门购买）中2～3个控制点求取。为检验坐标转换参数的准确度，使用RBN-DGPS接收机进行坐标比对，利用实测坐标与已知坐标的比对差来检验转换参数的准确性，比对结果满足规范要求方可投入使用。DGPS信标接收机接收交通部设立在洲岛上定位系统的差分数据进行平面定位。

4 测量与数据处理

4.1 扫道设计和测线布设

（1）扫道方向。

在扫道方向设计时，考虑到多波束测深系统采集的是高密度条带式水深数据，它可以对水下地形进行全覆盖测深。在正常工作环境中，只要船速选择适当，就不会把特殊水深遗漏，因此，扫道方向的设计顺着航道方向布设。

（2）扫道宽度。

Atlas Fansweep20的扫道设计宽度为W=2D图tanθ，式中D图为海图水深，θ为波束角。在实际操作中，扫道宽度根据现场水深来确定，是以扫道设计宽度值为准。另考虑到施工时对涨潮水位的充分利用，也可以实际扫侧数据填满屏幕显示的设计范围并有重叠为准。

（3）重叠带宽度。

《水运工程测量规范》规定：当测图比例尺大于1∶5000 时，测深定位点点位中误差限值为图上1.5mm，定位点记录中误差为图上0.5mm。

重叠带宽度计算如下：

式中，S为多波束扫侧重叠带宽度；E0为测量船定位中误差；E1为船舶偏航系统性误差。

根据上述的要求对该港航道进行测线布设：多波束测线平行于航道布设，测线间距10m，测量时根据覆盖宽度选择测线号，保证在测量范围内全覆盖测量。具体布设局部区段示意图见图1。

4.2 测量实施和数据后处理

多波束测量使用的是PDS2000测量软件，软件同步采集DGPS位置数据、多波束测深仪水深测量数据、波浪补偿仪姿态补偿数据、电罗经数据。声速仪实时采集声速数据确定单波束声速和多波束的声速剖面。使用CARIS后处理软件进行水深点的后处理，除去假水深，在CARIS软件中录入潮位信息，自动对水深数据进行水位改正。数据处理包括数据预处理和成图两个部分。预处理主要包括定位数据处理，声速剖面数据处理，潮位数据处理，姿态数据处理，深度数据处理和数据编辑、去噪、合并、清项；成图处理是对预处理后得到的水深数据进行网格化，生成数字地形模型（DTM），形成海底地形图。

4.3 成果应用分析

对航槽施工区段的定期测量，将获得的数据提供给施工船舶进行施工作业。通过这种方式可以提高施工效率，保证疏浚质量。得到的多波束数据能很直观地反映出施工时遗漏的浅点，以及疏浚效能的分布。这一点通过单波束测量手段是无法做到的。如图2所示，抽取一次多波束测量后处理得到航道区域内三维立体效果图。从图中可以清晰地看到耙吸式挖泥船作业痕迹和施工效果。

参考文献

[1] 陈一超.多波束数据的智能化处理[J].科技创新导报， 2015（12）：55-59.

[2] 张红梅，赵建虎，周丰年.GPS高程信号和Heave信号融合方法研究[J].科技创新导报，2014（11）：22-26.