汤小云 吴金才
【摘 要】本文结合在水下测量中的应用事例，用美国RESON公司生产的SeaBat 7125 多波束测深系统，在实际水下沉船、水下管道、跨江桥梁等工程中进行的水下扫床测量，简要地论述了内业数据处理和三维DTM 模型的建立，为同类型水下地形测量提供指导依据。
【关键词】水下扫床;多波束测深系统;三维DTM 模型
0 概述
在经济高速发展的今天，水利运输得到了很大的发展，这为水运航道的维护提出了更高更快的要求;实际生产中，会遇到水下沉船、跨江桥梁、水下管道、跨江桥梁等情况，这些都为高精度的水下测量提出了新的课题：必须精确确定水下河床的地形及水下物体的位置和姿态，结合用美国RESON公司生产的SeaBat7125多波束测深系统，在以上工程实践中的实际应用，通过数据处理，建立三维DTM 模型，均较清晰的反应了水下物体的姿态，为应用者设计和做出判断，提供了准确的依据。
1 多波束系统
1.1 多波束系统简介
SeaBat7125多波束测深系统的工作原理是利用水下声纳单元发射和接收脉冲声波，声波被河床或水中物体反射，部分被探头接收，由声波在水中的传播时间与声速的乖积即可计算出水深。该系统由高分辨率声纳系统、声速探头、水下声纳传感器、全套数据采集软件包PDS2000组成;其中400kHz声纳传感器每次可同时采集512个水深信号;最大发射开角165° ;最大ping率达50Hz（±1Hz） 。这样，它对水下地形测量是以一种全覆盖的方式进行，它测量的水下地形是一个面。SeaBat7125多波束测深系统由基本的系统、辅助设备、数据实时采集处理系统PDS200和数据后处理软件包四部分组成。
1.2 SeaBat8125多波束测量系统设备组成
RESON SeaBat8125超高分辩率聚焦多波束测深系统的组成见图1。
图1
1.2.1 RESON SeaBat 7125多波束探头
RESON SeaBat 7125多波束探头是该多波束测深系统的主要设备之一。探头为双频合一探头（200kHz or 400kHz），频率自由转换 ，实际工作中，操作员可根据水深、测量精度要求及声纳信号质量情况，选择控制菜单，调节测量范围、发射功率以及自动增益的大小及方式等相关参数，以期达到最佳接收信号的效果。
1.2.2 光纤罗经（Gyro）和运动传感器（MRU）
光纤罗经可精确测定载体的真方位角，且工作初始化时间较短，开机约五分钟后就可正常工作，;由于多波束测量系统是一种高精度的测量模式，平面（GPS）及水深测量（多波束探头）设备在水下动态测量时姿态随时变化，这就需要运动传感器（MRU），实时测量载体的各种运动姿态，并把信息传送给多波束测量采集系统，用来改正采集的数据，归算成船体在平稳状态下的数据。本套SeaBat 7125多波束测量系统配置的光纤罗经Gyro和运动传感器，合二为一体，它体积小，精度高。
1.2.3 GPS
多波束测量系统平面精确定位需要一套GPS全球定位系统设备。目前GPS差分定位有码差分（RTCM、EDGPS、信标差分）和相位差分（RTK、LRK）两种模式，作为多波束平面定位宜采用具有相位差分的GPS接收机为佳，结合测量单位具体情况，使用Leica SR1200双频GPS 的相位差分，一是可以提高多波束数据质量，二是局部范围可以实现无验潮水深测量。
1.2.4 声速剖面仪
多波束作为声纳设备，由于声波在水中介质中的传播速度会随着水中温度、盐度、压力（深度）等条件的不同而变化，该系统配置一台声速剖面仪7125 SV2 ，安置在7125多波束探头合适部位，测量中同步测量水体中的声速剖面，传送到数据实时采集处理系统PDS2000，实时用以精确改正多波束的测深值。
1.2.5 外业数据实时采集系统
该系统由计算机及PDS2000多波束数据采集和实时处理/可视化软件包组合而成，软件包是基于windows7.0 操作环境的水下地形外业测量软件包，具有多种功能，是目前国际上较为完善的的水下测量软件包。与各种外围设备的连接（各种不同型号的声纳系统、罗经、姿态传感器、定位GPS等），组成一个功能强大的测量系统，完成测线的设计，包括椭球参数的基面转换，采集存储各种测量数据，记录测量设备的工作状态，进行相关数据的处理及改正，提供各种导航信息，以多种方式实时显示设备工作状态及测量数据。
1.2.6 数据后处理软件包
PDS2000和 Caris7.1 后处理软件包，可以处理大量的测量数据，特别是多波束测量数据，实现数据的清理、剔除错误，并根据给定参数进行原始数据的改正，然后对数据进行计算、描述和制图。该软件包可以生成测深数据图、等高线图、三维数字模型（DTM）图、自动生成断面图，根据自定义的基准面计算方量或二次测图间的冲淤变化量。并能够输入输出多种常用格式的测量成果。
1.3 SeaBat7125多波束测量系统主要设备的精度指标
Reson Seabet 7125 声纳系统
工作频率：200kHz or 400kHz
测深分辨率 6 mm，在200kHz 最大ping率：50Hz（±1Hz）
发射波束宽：1°（±0.2°）在400kHz，2.2°（±0.5°） 在200kHz
接收波束宽：0.54°（±0.03°） at 400kHz，1.1°（±0.05°）
Octans光纤罗经和运动传感器技术指标
①航向 稳态精度：±0.1 动态精度 ±0.2 分辩率±0.01
②纵摇/横摇 动态精度：0.01
③升沉/横摆/纵摆 精度：5cm
7125 SV2声速剖面仪技术指标
量程：1400-1550m/s 响应时间：<1ms
量程：-2 - +35 响应时间：<1.5s
Leica SR1200双频RTK GPS接收机
动态测量 水平精度过 10mm±1.0ppm
垂直精度 20mm±1.0ppm
点位更新速率：20HZ 点位输出时延：<0.03s
1.4 多波束测深系统的优势
1.4.1 与传统的单波束水下测量方式对比
现在水下测量领域，动态GPS平面定位配合单波束测深仪的单波束测量方式得到了广泛的应用，用单波束施测水下地形，是在待测水域内按照合适的断面间距匀布设断面，测量结束后，将断面上的数据进行处理，得到分布均匀的测点和地形特征点，生成等值线采取直线插补的方法。其一，因采集的数据不够多，特别是在相邻的断面间的地形特征点测量中被忽略，不能完全反映地形真实变化;其二，单波束测深仪的波束角一般在3°～8 °之间，对测量水深较深和地形变化较大的水域，单波束测深仪适时测量的水深本身就存在较大的误差。这种方法在水下管道、跨江桥梁等精密工程测量中，单波束测深系统在使用上是有局限性的。
SeaBat 7125多波束测量系统的接受波束角最小达0.54°（±0.03°） ，并且以每秒1～50次（根据水深自动调整速率）的更新速率采集数据。这样，它对水下地形测量是以一种全覆盖的方式进行，它测量的水下地形是一个面，点位采集密度达每平方米为40～50点，这样，在测量区域内，地形就能较真实的反映出来。
1.4.2 与早期多波束测量系统对比
早期多波束测量系统采用固定扫测角和垂直安装模式进行水深测量，而SeaBat 7125多波束测量系统改进了固定扫测模式，它具有可变压缩扫测角模式，及把正常模式下的135°或165° 扫测角，通过调节可以压缩到合适的角度，来扫测重要水下目标，而扫测采集的水深信号仍然为512个，这样就大大的提高了扫测精度;见图2。另它还具有电子倾斜功能，在多波束探头垂直安装模式下，可以调节扫测方向倾斜-15° ～ +15°，这对一些扫测盲区（测量船不能到达的水域）具有重要意义，如码头、桥梁，航道边坡水域，提高了作业效率;见图3。 图 2
图 3
综上，RenSon SeaBat7125多波束测深系统在水下测量领域，精度和效率高，优势明显。
2 项目水下地形测量
2.1 多波束测量系统设备的安装
2.1.1 SeaBat 7125探头的安装
SeaBat 7125声纳（声纳换能器）是这套系统的主要设备，一般采用固定安装方式，在专用测量船轴线的中前部预挖一方形孔，将探头（声速剖面仪7125 SV2安装在多波束探头上）安装在方形孔中，一般通过螺纹丝杆来固定声纳探头，声纳头与安装丝杆连接使用螺钉固定，以便于升降和拆卸。
2.1.2 光纤罗经和运动传感器的安装
光纤罗经和运动传感器安装在测船中轴线前部位置（前舱后部），并与测船中轴线保持平行，使用螺栓固定在测船上，保证了设备的稳定。
2.1.3 GPS卫星接收天线的安装
接收天线安装在测船顶部中间部位，其GPS卫星接收天线上部没有遮挡物，保证了接收卫星的数量，以提高平面定位的精度。
所有设备完装完毕，定义船体中心位置（COG），量取各设备相对于该中心的三维坐标。各设备安装位置参数输入后，调用图形显示画面，检查参数输入正确无误。
2.2 Leica SR1200双频RTK GPS接收机参考台架设和水位观测点联测
平面定位使用GPS相位差分方式，使用 Leica SR1200双频RTK GPS接收机作参考台，参考台架设于测区边沿合适的平面控制网点上。
高程控制用于水位观测，由等级水准点通过高程联测，接测至水边合适位置上，在测量过程中，每半小时在水位观测点上进行水位观测，读数读至厘米，供内业水深数据改正用。
2.3 参数设置
多波束测量系统在工作前，必须设置有关参数，用于设备的连接、修正安装偏差、获得所需要的导航测量信息及用户坐标系统。
2.4 系统安装参数校正（Patch Test）
由于多波束系统是一套多传感器系统，它同时接收声纳探头、RTK-GPS、罗经、姿态传感器信号数据，系统校正的作用是对多信号接收源的数据同步性、安装位置、安装角度和偏差进行校正试验，每次声纳探头的重新安装，都要进行系统安装参数校正测量，通过专用软件，计算出校正参数，把算好的校正参数输入到系统中，用于改正实际测量中的数据;7125多波束测深系统的校正包括以下几种：横摇偏差——roll、纵摇偏差——pitch、艏摇偏差——yaw。
2.5 多波束系统测量
在多波束测深系统外业数据采集的软件环境下，利用测区的GPS控制网（点）成果，先进行测区的WGS-84坐标系和1954年北京坐标系的转换参数计算（三参数法@X、@Y、@Z）;再把待测区原有水下地形图转换成外业数据采集环境的导航背景图，根据测区水深情况及作业要求，编辑测区的计划测线，一般顺水流方向布设。
使用多波束系统对待测区进行扫测数据采集工作，进入SeaBat7125多波束测量系统外业数据采集界面，分别打开各项数据显示窗口，在测量过程中，监视各外围设备的工作状况、数据信号质量以及相关的测量信息，及时调整测船航向，控制声纳接收信号的各项参数。 实际测量中，在测区根据计划测线、水深及测点的密度要求，测船按照设计的测线，对测区进行全覆盖的测量;测量结束后，通过对已测区域进行简单分析判断，一般可以迅速找出水下有明显特征地形的区域，外业测量时，对这些区域进行压缩扫测角、电子倾斜等模式扫测，这样可以保证外业采集到更多的数据。
2.6 内业制图
多波束测深系统内业数据处理使用内业制图软件包为PDS2000和 Caris7.1 后处理软件包，该软件包可以处理超大量的水深测量数据，实现数据的清理、剔除错误，并根据给定参数进行原始数据的改正，内业处理软件对每个波束经过各项改正后的水深数据，通过PDS2000软件包经过水位改正，得到水深点的平面和高程数据，然后生成三维数字模型（DTM）图。利用水深点的平面和高程数据，还可以形成等高线及水深注记，输出多种常用格式的不同比例尺要求的测量成果。
3 应用实例
3.1 水下沉船扫测
在长江航道某处有一沉船，需对其进行扫床测量，确定沉船位置和沉船姿态，为制定相应处理方案提供依据。利用SeaBat 7125多波束测深系统，对区域按要求和前面的操作仔细测量后，再对沉船区域进行压缩扫测，获取更多的数据，经过对数据进行处理，然后生成三维数字模型（DTM）图4：从三维数字模型（DTM）图上，沉船船头绞锚机和船尾驾驶顶棚依稀可见。
3.2 水下排污口扫测
某企业在长江岸线近岸水域有一排污口，受水流作用，该处水下地形有可能冲刷或淤积，为排污口的安全运行带来隐患，必需对该排污口进行定期监测，了解它的实际状况，判断其运行情况。依据前面的方法，经过对数据进行处理，然后生成三维数字模型（DTM）图如5。
从三维数字模型（DTM）图上，排污口及护桩形态完好，运行基本正常。
图 4
图 5
3.3 跨江桥梁桥墩扫测
长江流域有多座跨江桥梁，为了桥梁的安全运行，需要对桥梁桥墩进行多波束扫测，利用SeaBat 7125多波束测深系统，对长江上某处跨江桥梁进行扫测，对全区域按要求和前面的操作仔细测量后（若桥面较宽或水深稍浅，常规多波束测量，在桥面下方会有些盲区），再在桥梁上游和下游各进行一条电子倾斜模式的扫测（各倾斜15°），力争桥梁下方GPS盲区的河床和桥墩都全覆盖，经过对数据进行处理，生成三维数字模型（DTM） 图6。
图6
从三维数字模型（DTM）图上，桥墩的姿态基本可见。
4 小结
通过用RESON SeaBat 7125 多波束测深系统在水下沉船、水下管道、跨江桥梁等工程测量实践中的应用，这种测量方法具有测点多、测量精度高、测区全覆盖等优点，经过内业数据处理，测量成果多样化，能满足不同使用者的要求，在建立三维DTM 模型上，能较清楚地判断出水下物体的姿态和水下河床的地貌特征，为相关使用者设计和做出判断，提供了准确的依据。通过在这些工程实践应用中得到了较好地验证，为以后的同例水下地形测量提供了新的测量依据。
【参考文献】
[1]GB/T18341-2001全球定位系统（GPS）测量规范[S].国家技术监督局，2001.
[2]周忠谟，易杰军.GPS卫星测量原理与应用[M].北京：测绘出版社，1997.
[责任编辑：张涛]
