多波束

多波束━海底地形测量探讨
多波束━海底地形测量探讨
卢秋芽
一、引言
东海大桥为洋山深水港工程的重要组成部分，大桥全长约31公里。

大桥的建成对其附近的水文条件可能会有一定的影响，尤其是大桥的桥墩，会使桥脚周围的风场和潮流产生较大的变化，在桥墩的四周存在着涡流水流，这些涡流势必会对桥墩四周产生冲刷。

为了确保大桥的安全，不仅需要了解墩台周围（桩基础）的冲刷情况，还需了解两组桩之间及每组桩之间的冲刷情况，以便为大桥基础管理维护提供可靠的基础资料，为今后类似的工程和研究提供科学依据。

上海京海工程技术公司受上海同盛大桥建设有限公司的委托，承担了东海大桥桥基海底调查多波束测量的任务。

1、测量范围（见图一）
1.K6副通航孔－芦潮港之间区域（PM103-PM106，60米跨）
2.K6副通航孔－K12副通航孔之间区域（PM176-PM179，60米跨）
图一测量范围示意图
3.K12副通航孔-K18主通航孔之间区域（PM305-PM308，70米跨）
4.K18主通航孔-K24副通航孔之间区域（PM389-PM392，70米跨）
5.A、B、C三组试桩处区域
2、测量要求
1精确测量桥墩基础桩间的海底地形的冲刷情况。

2精确测量桥墩基础的基桩周围的海底地形地貌。

3确定各桥墩基础附近的海底冲刷边界。

二、方法原理
单波束测深仪一般采用较宽的发射波束，因为是向船底垂直发射，因此，声传播路径不会发生弯曲，来回的路径最短，能量衰减很小，通过对回声信号的幅度检测确定信号往返传播的时间，再根据声波在水介质中的平均传播速度计算测量水深。

在多波束系统中，换能器配置有一个或者多个换能器单元的阵列，通过控制不同单元的相位，形成多个具有不同指向角的波束，通常只发射一个波束而在接收时形成多个波束。

除换能器水底波束外，外缘波束随着入射角的增加，波束倾斜穿过水层会发生折射，要获得整个测幅上精确的水深和位置，必须要精确地了解测量区域水柱的声速剖面和波束在发射与接收时船的姿态和船艏向。

因此，多波束系统在测量时比单波束测深仪要复杂得多。

多波束系统以一定的频率发射沿航迹方向窄而垂直航迹方向宽的波束，形成一个扇形声传播区。

多个接收波束横跨与船龙骨垂直的发射扇区，接收波束垂直航迹方向窄，而沿航迹方向的波束宽度取决于使用的纵摇稳定方向。

单个发射波束与接收波束的交叉区域称为足印（Footprint）。

一个发射和接收循环通常称为一个声脉冲（Ping）。

一个Ping获得的所有足印的覆盖宽度称为一个测幅（Swath）,测幅在给定水深下对海底的覆盖宽度是噪声水平和海底反向散射强度的函数。

每个足印的回声信号包含两种信息：通过声信号传播时间计算的水深和与信号的振幅有关的反射率。

与单波束相比，多波束有如下优点：
1测量以带状方式进行，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100%覆盖，与单波束比较，波束角窄，对细微地形的变化都能完全反映出来，单波束是点、线的反映，而多波束则是面上的整体反映（见图二）。

图二多波束工作原理图
2由于是全覆盖，其大量的水深点数据使等值线生成真实可靠，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，使得等值线存在一定偏差。

3多波束系统同步记录船体姿态信息，起伏、纵摇、横摇、船向等，由后处理软件对测量结果进行校正，使测量结果受外界不利因素影响减少到最低限度。

4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、三维立体图、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等。

5由于野外测量记录的是未经任何校正的原始数据，测区是全覆盖，因此在后处理时，软件可对同一测区生成不同比例尺的水下地形图，以满足不同的需要。

三、仪器设备
本次工作测量使用的是德国ATLAS FANSWEEP20，该系统是目前众多系统中分辨率较高的一种系统。

该系统不是所谓意义上的散射多波束系统，也不是相干声纳，而是一种具有相干特点的多波束系统。

其换能器由许多声学单元组成，返回信号的振幅、传播时间和入射角都是该系统的观测参量。

其中回波信号的入射角是由位于换能器内部独立工作的相位测量单元，通过相位漂移测量获得的。

这种系统能够识别不同方向的回波信号，并将它们区别开来。

因此比较适合具有复杂地形特征的海底测量。

仪器设备及系统组成（见图三）：
图三仪器设备及系统组成
仪器性能指标见下表：
四、实施情况（一）测量系统
本次工作采用54北京坐标系，投影方式为UTM方式，中央子午线：122°。

现场定位采用动态GPS定位，其使用的转换参数是采用法国THALES公司产的6502型双频GPS接收机按RTK-DGPS方式，进行WGS-84坐标到BJ-54坐标的参数转换。

1、水深测量水深测量采用多波束与单波束测量相结合的方式进行（单波束测量主要起对比检校作用，不作为测量结果输出），水位测量控制采用人工验潮的方式进行。

2、水位标高控制
每10分钟测一次潮位验潮
（二）仪器检查
（1）GPS定位系统的检查
在测量工作开始之前，对RTK－DGPS6502进行对比检查。

检查方法为：将定位系统用的THALES6502MK双频GPS接收机的天线放在已知点上（精确对中、调平），然后采集数据，通过计算机处理，求出平均值，并与已知坐标进行比较，确认符合规范要求后，再投入使用。

此次工作区为线状，为保证测量精度，分两段架设基准站。

校准也为两次。

（2）多波束系统测定
1横摇偏角的检查
在测区外选择一测线AB，在海况良好时，以正常的航速（5节）往返测量，选择航向相反、航迹较直且重复性好，时间间隔短的两条测线，然后用系统的横摇偏角校正模块，在垂直测线方向截取剖面，通过调整横摇偏角，使两剖面最佳重合，这时的值就是横摇偏角。

本区测量偏角为3.0度。

2纵摇偏角
在测区附近海域选择了有一定坡度的地方，布设3条垂直于等深线方向的测线，在海况良好时，以正常的航速（5节）往返测量，选择两条航向相反、航迹较直、时间间隔短的测量断面，然后用多波束系统的纵摇偏角校正模块，在测线方向截取剖面，通过调整纵倾偏角使两剖面最佳重合。

本区测量的纵摇偏差1.25度。

3定位延时校核
定位延时校核采用剖面重迭法，在测区内以A平台为参考点，在平台旁边设一条测线，首先以较低的航速（3节）沿测线测量，得到A平台的偏移位置。

再以较高的航速（8节）沿同一测线，同一方向测量，得到A平台的偏移位置。

作两条测线的纵向剖面图，然后水平移动两条剖面曲线，使他们最佳重迭，得到位移距离2Δ，则时间延迟为Δt=2Δ/(V2-V1)。

（三）现场声速测定
测量前使用声速仪对单波束和多波束测深系统进行声速测定和校验，方法为在测量前，达到工作区域后，用本套系统所配备的SUP-20声速测定仪进行声速数据采集，以确定本次扫测所使用的声速。

（四）数据采集
运用ATLAS的FANSWEEP 20系统，在差分锁定状态下同步对平面位置和水深数据进行采集，测量时采用4倍宽深比，150个等距离波束进行全覆盖水深测量。

多波束测幅的覆盖宽度主要随测量的水深变化，传播时间的增加，发射更新率随水深增大而减少，在测量时，将船速控制在5节左右，以获得沿航迹方向的连续覆盖。

精度分析：
由多波束测量的水深值的最终结果可以用下式表示：
HD＝Hd-Hn+Hdr-Hwe
式中：HD为归算后的水深值
Hd为多波束测量的水深值
Hn为换能器总的起伏
Hdr为动态吃水
Hwe为从深度基准面起算的水位高
为了估算总的测深误差，需要分析式中各个分量是哪些因素对它们起作用，并且分析这些分量的误差性质；然后再进行分析计算。

这种计算方法需建立误差分析模型进行计算。

在理论分析及实验内用的比较多。

在用实测数据评估一项水深测量的质量和精度时，最常用的方法是进行检测线测量。

统计分析主测线与检查测线重迭部分的水深差值。

重迭部分的水深偏差值综合反映了多种误差源的共同影响：－多波束信号检测噪声
－船的姿态测量误差
－定位误差
－声速改正不充分产生的声波折射误差
－水位改正误差
为评估本次工作的测量精度，使用了两种方法，第一种是对交叉区域的水深值比对，检查线测量的统计分析方法。

另一种方法是将单波束测深数据与多波束测深数据相比对。

经检查比对，本次测量的数据质量符合规范要求。

五、数据处理
（一）一般数据处理
数据处理包括数据预处理和成图两部分。

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；成图层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。

定位数据处理主要是对GPS跳点数据进行编辑。

包括对异常点的剔除及对一些缺失点的插值。

将测量船的航迹以一系列离散或连续的点的形式显示，并计算测量船瞬时速度、航向等信息。

声速剖面处理，一个声速剖面文件可以包括多个声速剖面数据，但每个剖面必须指定不同的时间和坐标，同时并进行运动姿态补偿和吃水改正。

潮位数据处理
主要是检查和处理潮位实测数据，将潮位数据以折线形式在时间（x）－深度（y）坐标系中显示，并进行查询编辑。

水深数据处理；是将姿态数据、声速数据、潮位数据、换能器吃水深度数据等参数归并到最终的水深当中，并检查处理测线水深数据。

数据合并
只在垂直方向和水平方向上分别做数据转换处理。

垂直方向上根据潮位数据把水深值转换到深度基准面上，得到最终水深；水平方向上，根据罗径和GPS数据将水深点的平面位置由船坐标系（x、y）转换到大地坐标系中，实现测线间的衔接，最终生成三维地理坐标水深数据。

数据清理
是将测区分割成一定大小的方格，对其进行曲面拟合，计算出拟合标准差，然后剔除偏差值超过一定范围的水深点。

水深数据的网格化
为了便于海底声像图的处理，需对测量得到的离散的水深数据进行网格化处理，一般情况下，每个网格的长宽大小取值为均等，网格内水深值的取值为接近均值，另一方面考虑周围网格密度的变化。

（二）特殊数据处理
由于本次测量的目的是了解承台周围冲刷情况，测量过程中除受海底地形起伏变化影响，测量数据还要受承台下部基桩影响，此外为了解冲刷详细情况，其成图比例尺比较大，为1：100或1：200。

所以本次工作与传统的海底测量不同，属特殊地形特殊目的的工程测量。

对特殊情况，采用一般方法进行处理，其结果便会由于处理不当，而忽略了真实海底地形的存在，造成地形失真，在小规模地形处理方面表现得尤其明显。

先期在预处理阶段进行数据清理。

数据清理的目的是去除噪声，即清除不真实的假水深数据。

该过程容易忽视对特殊地形的处理，即在数据清理时不恰当的参数选取易将小规模的特殊地形做为噪声滤除。

数据清理的模型一般是假定一个数据单元可以用一个斜面表示，该斜面用最小二乘原理对单元内的水深数据进行拟合。

拟合过程中水深数据的取舍，直接影响着地形的形状。

这样就会产生一个问题，当处理一个测区时，仅用一套判断准则进行处理，就会有特殊地形区域的特殊地形整个滤除或将高部的高点或低点滤除的现象发生。

在数据成图阶段，主要是网格化处理。

不同的网格化方法，特别是网格化时参数设置的不同，对最终的结果有一定的影响。

不论何种方法，对平坦海底地形较为适用，对大面积勘测区中局部存在的海底特殊地形就不很适用。

在这种情况下，以网格化数据为基础的成图方法往往会忽视局部特殊地形中高点和低点的存在，其结果便是以地形为主要表现形式的成果图中未能将特殊地形表现出来。

尽管理论上讲，网格化间距可以设置得无限小，但在实际运用过程中必须考虑到计算机的运算能力。

过小的网格间距经常使得处理过程非常漫长，甚至还经常导致计算机无法运行，出现死机现象。

针对上述数据处理中易出现的问题，并结合本次地形测量的特点，在网格化处理时，采用残差法。

其方法过程以预处理后得到的某位置的水深为Z0。

而用网格化得到的位置的水深为Z1，则该点处两水深残差为：
ΔZ＝Z0-Z1
Z1用三次多项式内插得到。

计算方法是用Z0周围4个网格节点的水深值采用距离加权进行内插。

N个实测水深值Z0将有N个残差和残差比值ΔZ/Z0，对全部的ΔZ和ΔZ/Z0进行统计分析。

对网格化海底与实测海底地形的一致性进行评价。

六、实例分析
下面以本测区PM176桥墩的实测冲刷情况为例。

分析描述如下：
图四是PM176桥墩处的海底地形实测平面图，从图中可以明显地看出由于桥墩基桩影响而产生的冲刷槽坑的平面范围。

图五是该桥墩轴线方向的海底冲刷剖面图，图中显示东侧冲刷边界在大桥轴线以东约26m处；西侧冲刷边界在大桥轴线以西约28m 处。

东西向冲刷长约54m。

图六是该桥墩沿大桥轴线方向的海底冲刷剖面图，图中显示南侧冲刷边界在桥墩轴线以南约9m处；北侧冲刷边界在桥墩轴线以北约14m处；东、西侧桩位的附近冲刷程度基本一致，南北向冲刷长约23m。

(1)原始海底地形标高一般为-10.7m左右，而基桩周围附近及各基桩之间海底地形标高一般为-11.2～-12.6m，冲刷最深值为海底地形标高-13.6m。

(2)在桥墩附近，冲刷槽坑的面积为23×54 ＝1242m2，以周边海底地貌相比较，冲刷平均深度为1.8m左右。

图四PM176桥墩基础多波束扫测海底冲刷示意图PM176桥墩轴线方向海底冲刷剖面图图五
坐标原点O为桥墩与大桥轴线的交点
PM176桥墩沿大桥轴线方向海底冲刷剖面图图六
坐标原点O为桥墩与大桥轴线的交点
将本次测量结果与原始海底高程进行比较，除桥墩附近外，桥墩之间基本无明显冲刷现象。

冲刷主要发生在桥墩各基桩之间及其周围。

海水冲刷走向基本垂直大桥线路走向，冲刷痕迹基本呈东西向展布，与桥墩轴线夹角约为15°左右。

桩位四周及桩间的冲刷痕迹明显，在其周围形成深度为2～3m的槽坑，在其东部形成宽约8～15m的带状凹陷，与其两侧的相对高差约为-0.3～-0.6m。

此次测量结果表明:
（1）在桥墩建成后一年左右时间，桥墩基础周围受海水冲刷后痕迹非常明显，冲刷痕迹以桥墩为中心形成一凹陷，其宽度为20m 左右，长度为40m左右，长轴垂直于大桥轴线方向。

冲刷深度在不同区段略有不同，其最大深度为3米多。

（2）由于大桥基础的影响，桥墩台附近形成涡流，造成其周围形成冲刷凹陷。

（3）此次工作针性强，采用特殊的数据处理方法技术，达到了预期目的，使得测量的精度和分辨率大大提高，测量结果说明这次工作方法技术切实可行，同时为今后类似的工作积累了经验。

七、结束语
1．本次将多波束测深方法技术成功地应用于东海大桥的东海大桥桥墩基础海底淤泥冲刷程度测量,并为在该区进一步开展工作积累了工作经验,打下了坚实的基础。

2．多波束与单波束相比,具有高分辨率、高精度的特点,且精确、高效、快捷、直观的优势十分显著。

3. 工作经验表明,多波束测深不仅可以满足上述工程测量的需要,并在用于水底表面障碍物探测、抛砂石厚度检测、码头选址、航道测量等多方面,均具有十分广阔的前景。

参考文献
1.《东海大桥桥墩基础多波束测量报告》上海京海工程技术公司马文亮2005.4.
2.《多波束测深方法技术在东海大桥海底地形探测中的应用》刘晓方(上海同盛大桥建设有限公司东海大桥建设指挥部) 卢秋芽(上海京海工程技术公司) 2005.6. 上海桥梁会议。