多波束测深系统在航道测量中的关键问题探讨

多波束测深系统在航道测量中的关键问题探讨
摘要：介绍了多波束测深系统与GPS RTK技术集成的工作原理及优势，并以秦皇岛港航道疏浚前后多波束扫海测量为例，论述该作业模式中的几个关键问题，即
在声速改正和参数校准的前提下，RTK三维水深测量省去传统水深测量中繁琐的
水位测量，能够自动消除波浪起伏和动态吃水变化的误差影响。

航道疏浚结果表明，在近海海域该方法可以取代有验潮的常规水深测量，既能指导疏浚施工，又
能方便检查疏浚结果，为今后的相关工作提供参考。

关键词：多波束测深；GPS RTK；航道测量；校准
1、前言
近年来，随着国家对沿海港口城市综合规划和开发的重视，多波速扫海测量
在港口航道的扩建和疏浚维护工程中的应用也日渐增多。

而多波速系统的不断更
新以及GPS RTK技术的普及，则为航道设计、建设、维护等工程提供了极大的便利。

尽管如此，经过笔者多次水深测量应用，认识到RTK模式下的多波束测深有
诸多方面不同于常规水深测量，尤其是误差分析和改正。

因此，要想充分利用该
技术进行生产作业，必须系统地分析和研究测深中影响水深测量精度若干因素，
探讨减小和改正测量误差的方法，以满足实际工程的精度要求。

本文将重点介绍
利用美国产Odom一E S3多波束测深系统结合Trimble双频GPS接收机等在秦皇
岛港航道疏浚维护工程中扫海测量的工作情况和关键问题探讨。

2、多波束RTK三维水深测量作业模式
多波束测深系统以其全覆盖、效率高、后处理数据强大的扫海测深特点[o -z}，结合目前常用的GPS RTK实时定位技术，能够良好的完成水运工程方面的测量任务。

其工作原理是：GPS基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信号传输给流
动站
GPS流动站通过接收基准站数据，在测量船上实时得出三维坐标；而多波束
系统通过与GPS流动站连接与设置，在秒脉冲PPS（Pulse一Per -Second）技术的协同下自动同步接收并记录实时定
应用多波束RTK三维水深测量作业模式，优势在于同步采集船体姿态和水深
数据，并根据同一垂直面上GPS天线与与换能器相互位置关系，在相同基准面上
进行综合数据处理，在顾及测量船的运动姿态改正的前提下（通常通过多波束系
统集成姿态传感器解决），能有效解决水位、波浪及换能器动态吃水变化对测深
精度的综合影响。

3、航道测量实例
2017年3 -4月和10一11月分别对惠州市平海电厂航道进行了浚前和浚后扫测，目的是检验经过疏浚后各条航道是否已经达到设计水深（均不超过20 m）要求，是否满足航道设计通过能力。

扫测航道面积约6.9km²，总长度约26km。

测
深采用T-20P多波束测深系统，主要技术指标为：工作频率：240kHz；扫幅宽度：接收1200 x 30，发射1200 x30；有效波束宽度：一0.75 0，一1.50，一3.00；波
束数量：默认480，可达240和120；距离分辨率：0.02%倍的测距；测深范围：0.5一60m o 在正式施测之前，依次完成了控制测量、参数计算、系统安装与调试、系统校准及精度评测等工作；施测过程中进行了声速剖面测量、多波束扫测
记录、RTK三维水深测量、多波束中央波束和单波束对已测数据成果的质量检查
和精度统计；施测完成后对所测外业成果进行了数据编辑和过滤，然后输出作为
图载水深数据供制图使用。

3.1作业前的准备
（1）航道施测前要综合考虑到海况、天气、测区船舶通行等因素，制定合理的扫测作业进度表，做到既不影响工期又能保证成果质量。

（2）由于航道淤积情况不尽相同，航道内、航道边坡及航道边坡外的水深变化明显，因此布设主测深线需根据水深而定，一般1.5一2倍为宜，由航道内向
外逐渐加密，做到不多不漏。

合理布设测线既能提高专业效率，又能节约成本。

（3）多波束系统安装和校准。

在测量船上安装多波束测深系统和施测过程中不可避免存在着由于坐标轴平移、坐标轴旋转（横摇、纵倾和航向偏差）引起的
系统偏差。

为了消除这些系统误差，必须进行两坐标系统之间的平移、旋转校准，以保证测量结果的客观性。

本次测量应用后处理软件（PDS2000中的校准模块进
行校准，简化了校准与改正的处理过程，提高了多波束测深系统安装与校准的效
率和精度。

系统校准选择在航道内、外兼顾有地形陡峭和平坦的海域，进行校准时按照
横摇偏差、纵摇偏差、舷向偏差顺序依次进行，导航延时校准可以利用系统集成
秒脉冲PPS技术，将GPS导航系统和测深系统实现时间同步，以消除导航时延对
水深定位的影响。

系统校准后需在航道典型水域内进行单波束和多波束中央波束
同步采集的数据比对，以及多波束自身中央波束正交数据的比对，比对互差符合
要求后方可正式测量。

通过校准后单波束及多波束测深互差对比检核，多波束误差统计超过限差
0.4m的百分比为4.2 %，单波束比对互差超过限差0.4m百分比为4.3 %（见表1）。

《水运工程测量规范》规定，对主、检测线交叉点处深度比对互差满足表2要求，且超限的点数不得超过参加比对总点数的巧%。

因此，利用本文所述多波
束测深系统结合GPS RTK在航道施测是可行的，其测深精度完全可以满足有关规
范要求。

3.2声速剖面测量
多波束扫测过程中，由于换能器表层声速主要受温度影响，同一地点在不同
时间声速也会发生较大的变化。

而表层声速的差异将直接影响海底测深精度，导
致海底形态的畸变[00。

一般声速剖面测量的地点尽量选择在航道内中心有代表性的水域，单个声速剖面的控制范围小于Skm，每日施测前后应各测量一次，以尽
可能减小声速变化对测量结果的误差。

例如，本次航道测量根据浚前（30天）和浚后（33天）两次扫测显示，秦皇岛港海域声速主要受温度影响较大，且声速值随温度降低而减小，而声速每减小lOm，测量水深值减小0.1 m，这对航道疏浚
影响很大。

因此，在海上作业过程中，必须尽可能多次测量不同海域的声速剖面。

3.3RTK三维水深测量
GPS RTK与多波束测深系统相结合，实时确定测区水深，给实际作业带来了
极大便利。

但同时也要注意以下事项：
（1）在陆地已知控制点上架设基准站，测量船上GPS流动站受无线数据信号有效传输距离的限制，一般在近海岸水域应用多波束测深。

此外，将基准站架设
于地势较高视野开阔的地点，同时尽量增大电台发射功率，或在海上设置中继电台，可以在一定程度上有效提高RTK模式下的作业距离。

（2）在港口工程中，通常需布设GPS控制网获得由WGS 84坐标系到地方坐
标系（比如本次航道测量采用1954年北京坐标系）的转换参数（如布尔莎七参数），但由于GPS控制网通常只能沿海岸在陆地布设，所求取的转换参数不适用
于控制网外的测区。

因此，需要在施测前在测区适当海域设立临时定点水位站并
确定其深度基准面，求得该处准确水位，在RTK三维水深测量时进行水位修正。

（3）在正式作业时应根据作业环境及成果要求对数据采集的航向、航速、扫
测扇面、波束角、量程、频率、发射功率和接收增益范围等设置合理调节，避免
测深不漏不余，保证采集数据真实有效。

（4）RTI}三维水深数据采集时，定位数据更新率设置不小于lOHz，以更好地
削弱涌浪对测深的影响。

3.4数据处理与过滤
多波束测深数据在经过数据处理和过滤后才可以作为图载水深数据输出使用，因此数据的有效性和合理性非常关键。

依据绘制的RTK水位曲线变化可以剔除由
于信号中断，仪器故障等引起的错误水深值，对于跃点、孤立点可以结合测区大
致水深情
4、结束语
GPS RTK作业模式下的多波束水深测量，其突出特点就在于集成定位系统和
测深系统于一体，在RTK有效控制范围内，摒除常规有验潮水深测量中繁琐的水
位测量，从而既降低成本，又方便施工作业。

参考文献：
[1]张同伟，秦升杰，唐嘉陵，王向鑫.深水多波束测深系统现状及展望[J].测绘通报，2018（05）：82-85.
[2]张国堙，陶春辉，王奡，邓显明，何拥华.深水多波束声呐测深数据精度评
估[J].海洋学报，2017，39（11）：106-114.
[3]赵建虎，欧阳永忠，王爱学.海底地形测量技术现状及发展趋势[J].测绘学报，2017，46（10）：1786-1794.
[4]刘智敏，杨安秀，陈景涛，孙月文.基于消声水池的多波束测深不确定度检
测方法[J].武汉大学学报（信息科学版），2018，43（06）：908-914.
[5]陶桐桐.边界搜索下的水深数据抽稀算法设计与实现[D].武汉大学，2017.
[6]陆秀平，黄谟涛，翟国君，黄贤源，黄辰虎.多波束测深数据处理关键技术
研究进展与展望[J].海洋测绘，2016，36（04）：1-6+11.。