国产MS400多波束水下地形测量系统及其在水利建设方面的应用

国产MS400多波束水下地形测量系统及其在水利建设方面的应用

郭艳刚

广东孛特勘测设计有限公司广东广州510610

摘要：随着测量理论研究和测量手段、测量设备的变化，水下测量精度将明显提高。多波束测量系统具有水下面状测量功能的测量工具将被广泛应用，各种水声校准设备的使用也将提高声纳设备的测量精度。数据采集和处理软件将得到进一步的发展，功能将满足不同用户的特殊要求。

关键词：多波束；MS400；地形测量；应用

由于多波束水下地形测量系统具有实时监测功能，可以现场监视水下地物、地貌的细微变化，加上三维效果图非常直观，因此多波束测量系统在堤防安全、溃口和崩岸监测等中具有不可替代的作用。与传统单波束相比，多波束水下地形测量系统在效率、精度、分辨率和水下地形成图质量等各方面有了大幅度提高，整个系统从外业到内业都实现了自动化、智能化和数字化，彻底改变了水下测量的技术手段。另外，该系统还适用于水库、湖泊和海洋等水域的水下地形测量，江岸堤防险段的水下监测，水下工程检测，河道疏浚和港口、码头、桥梁等工程的测量。

一、多波束系统测量分析

多波束测深系统是在回声测深仪基础上发展起来的，它可在测量断面内形成更多的测深点，无数个回向散射强度数据，从而保证了较宽的扫幅和较高的测点密度。另一方面，较窄的波束，先进的检测技术和精密的声线改正方向的应用，也确保了测点坐标的归位计算精度，多波束测深具有全覆盖、高精度、高密度和高效率的特点。

1、多波束系统在工作过程中，同时发射的波束对水底形成一个覆盖式条带，条带宽度由波束的发射开角决定，波束发射角由发射模式控制参数决定。船姿传感器的船姿信号和波束数据被一起传送给信号处理器，信号处理器根据这些信息计算出脉冲发射信号和波束数据，然后这些数据被送到多通道变换器，形成多个波束发射信号，这些信号在经多通道前置放大器进行功率放大，分别形成多个声波发射脉冲信号，同时多通道前置放大器控制着收、发转换开关电路，这些声波发射信号分别被送到换能器阵列中相应的换能器单元，并发射出去。

2、接收信号的电子过程与发射信号的电子过程是相反的，就是利用压电陶瓷的压电效应把声能转换为电能。信号经过复杂的信号处理生成反映海底地形、地貌的数据。多通道的前置放大器将从换能器接收来的多路回波信号进行放大，放大过程受时间增益(TVG)信号的控制。放大后的模拟信号输送给数据采集电路，模拟信号被转变为数字信号。信号经多通道信号处理器处理后形成地形、地貌数据，输出到外部设备。信号接受过程中，与单波束测深仪显著不同的是信号处理电路中的波束形成、控制电路。声波在传播过程中若不是垂直射入，受声速影响，传播路径会发生变化，即声波的折射现象。波束形成、控制电路作用就在于对波束的传播路径进行改正。电路可以从存储电路读取存在其中的一些参数(如各海水层声速数据)对数据进行改正。

二、水下地形测量

随着GPS技术的迅速发展，水下地形测量方法取得了很大的进展。目前水下地形测量通常采用GPS获取平面坐标、水面高程数据，测深仪获取深度数据的基本模式。为了获得水下地物的海拔高程，消除潮汐、水位落差等诸因素的影响，进行水位监测是一个重要环节。常规水下地形测量的工作包括测深、定位和水位观测三部分内容。首先在河道两岸建立一定密度的控制点，布设一定数量的水位站，要考虑到水位站的控制范围与测深精度、瞬时水位差、水位改正模型之间的关系，水位站的密度必须满足控制范围内内插后的水位精度。具体作业时运用GPS和导航软件对测深船进行定位，并指导测深船在指定测量断面上航行，导航软件或测深系统每隔一个时间段自动记录观测数据。测量数据处理主要包括坐标转换、声速改正、水位改正、时间同步改正、地形图生成等。随着多波束测深系统的广泛应用，测得的水下地形数据量越来越大，将它们全部记录下来会加重数据处理的困难和负担，因此，必须根据测图比例尺来考虑水深值的取舍问题。

1、多波束测深数据滤波。首先，同单波束数据预处理一样，要先剔除掉噪声数据。目前，应用比较多的计算机滤波方法基本都是基于测深点的统计特性来进行滤波的。主要COP法、ware法、Du法和Binstat法等，这些算法的模型参数需要经验给定，增加了滤波模型确定的难度，并且这些算法并不能完全适用于任意区域海底地形变化带来的粗差。所以采用了一种非线性滤波方法。中值滤波法首先确定一个奇数测深点的窗口W，将其移遍序列上的点，窗口内各像元按数值大小排序，并用序列中间值g(x，y)作为原数值f（x，y)：

在一定条件下，中值滤波可以克服线性滤波带来的细节模糊，而且对滤波脉冲干扰非常有效。但是它对细节的滤波也会产生一定影响。为了避免这种情况，只通过中值滤波获得全局方差和局部方差，并利用全局方差计算小波阈值，局部方差剔除异常点，最后利用小波去除一些较小的随机噪声。局部方差的计算为：

式中，％是中值滤波后局部窗口内的点的深度平均值，j是点数：g(x，y)为测深值。若＆(z，y)与甜，的差值超过3q，则确定是异常值，并利用局域内插值作为该点的深度。这里阈值选择是否恰当直接影响到算法的有效性。通常阈值的确定公式为：

2、多波束测深数据插值

多波束测深系统得到的是由不规则的空间点组成的不规则格网但多波束数据的检测和分析需要的是规则的格网数据，而且目前对于不同期数据之间的叠置分析等操作仍然以格网数据为主，为此，需要对局部区域数据进行内插得到规则格网。具体的内插算法很多，本文采用加权平均算法，它根据局部窗口内的点与内插点的距离远近来定权，距离内插点越近，对内插点的影响越大。经过试验分析，认为权采用距离平方的倒数最佳，内插公式为：

该内插方法的优点是考虑了重叠区的数据和数据点对内插点的不同影响程度，适合多波束测深数据的特点。

三、案例分析多波束水下地形测量系统的应用

2016年我司成功引进了北京海卓同创科技有限公司生产的MS400多波束测深系统，系统包括主机、传感器和数据采集、导航及后处理软件。

1、系统原理。水下地形测量的基本原理是利用声波的反射时问来计算测点水深。多波束换能器以较大的扇区开角向水下发射声波，同时通过多阵列单元接收几十束或上百束声波。每发出一组声波，可在垂直于航线上得到一组水深数据。当测船连续航行时，便可得到一个宽带的水下地形资料MS400系统，工作主频为400KH在；波束数目512个波束；每个波束宽度1。×1。；波束开角范围为143。；测深范围为0.2～150m；最大ping率为20Hz；覆盖宽为水深的8倍。与单波束回声仪相比，多波束测深仪最大的优点是测点多、全覆盖、精度高，能够准确全面地反映水下地形起伏变化情况。MS400多波束。采用高度继承的一体化设计，开创性的外围设备集成到探头内部，包括姿态设备、定位设备、声速测量设备，记极大的提高了易用性。当换能器发射一个声波脉冲后，声波碰到水底后会产生一定反射波或反向散射波，并沿原路线返回到换能器。硬的、粗糙的、凸起的水底回波信号强；反之，回波信号弱。每发射一次声波信号，可得到垂直于船航行方向的一条线上的水下地貌信号；当船连续航行，换能器按一定时间间隔发射／接收信号，经过信号处理后，便得到了一条带状水下三维地形地貌声像图。

2、多波束水下测量系统的特点。与传统单波束相比，多波束测深系统具有高分辨率、高精度和全覆盖的特点，另外还有精确、高效、快捷和直观等优势。本次采用国产MS400集成侧扫声纳多波束测深系统。国产MS400多波束测深系统在150m量程范围内具有性能稳定、数据质量高和用户使用灵活方便等优势。其具体优势表现在：①高分辨率。0.50超窄波束和聚焦算法，使系统具有超高的分辨率。②灵活多用。频率和覆盖宽度可以进行在线调整。③实效性。系统可实时显示三维地形，并可在线查看测量情况，监测堤围决口的动态变化过程。④全覆盖。由于测量数据点的密度不一样，因此断面生成的精度也不一样。传统的测量方法在测量边坡时，既费时又费力，效率不高且精度也不高，而多波束测量系统可以转换测量角度，从而能够快速、高效地完成测量工作。⑥系统处理软件功能强大。系统能对测量资料进行多种成图处理，可生成等值线图、三维立体图、彩色图像和剖面图等。⑦系统具有实时监测功能，直观性强。利用系统可以在现场直观地观察搭配水下的地形起伏、冲淤隋况和护岸工程的效果。

目前，引进的国产MS400多波束测量系统主要应用于水下地形测量、堤围险段监测以及协助河道采砂论证，对有关河段进行全覆盖的水下监测，应用效果比较理想。利用该系统仅用了3h，就进行了水下全覆盖的测量，时间短，效率高，效果非常明显，采用这套系统对河段进行了监测，成果清晰地反映了有关西江采砂段的水下地形情况，为有关论证提供了最直接的科学依据，该河段由于挖砂的影响，从近岸的4m的水深突然变化到25m的水深，形成一个陡坑，直接威胁近岸堤围的安全，因此，该河段应列为禁止采砂河段，为探索多波束水下地形测量系统在堤围险段监测的效果，应用该系统进行了监测，反映了堤围险段水下部分的情况，险段部分堤围已受到破坏，应及时加固。从应用的情况反映，多波束水下地形测量系统的功能非常强大，与常规的水下地形测量相比，该系统效率高，投入的人力、时间均较少。通过应用对比，SEABEAM1185系统与传统水下测量手段相比，有如下主要优点：

1)以带状方式测量，覆盖范围大，其大量的水深点数据使生成的等值线真实可靠，精度高。而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线，在数据采集不够时，将导致等值线存在一定偏差。

2)系统同步记录并处理校正船体起伏、纵摇、横摇、航向等姿态信息，使测量结果受外界不利因素影响减小到最低限度。对于单波束而言，未进行这些校正，其测量结果相对受外界因素影响较大。

3)Hypack后处理软件功能强大，能对测量资料进行多种成图处理，可生成等值线图、三维彩色立体图、剖面图以及三维动画影像等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等，这大大简化了人工计算工作量。由于野外测量记录的是未经任何处理的原始数据，测区是全覆盖，因此在后处理时软件可对同一测区根据不同的需求生成不同比例尺的测图。直观性强，可以在现场直观地看到水下的地形起伏、冲淤情况以及护岸工程的效果，软件具有回放功能，不仅在现场而且在室内也能演示。

由于多波束水下测量系统以全覆盖、无遗漏的测量方式，在效率、精度、分辨率比传统水下地形成图质量上有了大幅度提高，从全过程真正实现了自动化、智能化和数字化，彻底改变了传统的水下测量手段，广泛应用于内河、水库、湖泊及海洋等水下地形测量，水下目标物的搜寻及监视。系统具有的实时监测功能，能现场监视水下地物地貌的细微变化，在堤防安全、溃口、崩岸监测，水下物体摸探及打捞，具有其它方法不可替代的作用，在水利建设、防洪减灾方面具有巨大的社会、经济效益和广泛的应用。

参考文献：

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