李冬，杨绍海，任晓东

（天津海事局海测大队 天津 300222）

多波束在秦皇岛燕塞湖库区水下三维地形测量中的应用

李冬，杨绍海，任晓东

（天津海事局海测大队 天津 300222）

介绍利用多波束对秦皇岛燕塞湖库区水下地形探测的方法，采用OMINISTAR星站差分GPS定位，库区设立多个水文站实时人工验潮、测深精度严格控制等方法，使多波束对测区进行全覆盖、无遗漏、高精度和高效率的扫测。扫测结果让我们对测区内的水深状况有了一个比较全面的了解，确定了库区水域内的最浅水深，保证了旅游船航线水域水下地形资料的完整，为秦皇岛燕塞湖库区提供了真实可靠的水深数据，完善了救援预案，为旅游船舶航行安全提供了详实的基础数据。

燕塞湖；多波束；人工验潮；GPS

近年来，为了满足民用海洋工程以及战场准备等海洋研究工作对海底地形资料日益增长的需要，各发达国家竞相研制各种新型的海底地形测量设备，主要目的是解决全覆盖问题和提高测深效率，加快测深速度。多波束测深系统（又称高精度海底地形测绘声纳）作为高效率、高精度和高分辨率的一种船载海底地形测绘设备受到了普遍的重视。在秦皇岛燕塞湖旅游风景区，为了满足景区在不断开发和完善下的迅速成长，需要完善库区水下地形的基础资料，保障游客乘坐环保游船在15 km湖区旅游的安全。

1 工程概况

受秦皇岛海事局山海关海事处委托，天津海事局海测大队于2009年5月对秦皇岛燕塞湖库区航道进行了多波束全覆盖扫测，制作了秦皇岛燕塞湖库区水下三维地形图，以确定库区航道水域内现势水深和障碍物情况。为库区旅游船航线水域提供真实可靠的水深数据，保证旅游航线行船安全，完善了救援预案。

图1 秦皇岛燕塞湖库区多波束水下地形测量范围示意图

2 仪器设备

2.1 定位仪

采用OMINISTAR星站差分GPS定位仪。

2.2 多波束系统

采用ODOM ES3型多波束系统

频率：240 kHz

扫测宽度：120°×3°发射，120°×3°接收

有效波束宽度：窄0.75°，中1.5°，宽3.0°

波束数量：480、240、120

测距分辨率：0.02%倍量程

量程：5 m～60 m

口头述职完成后，李兴军的神情又紧张了起来，手不自觉地攥紧了一些，对在上一届已参加了两次述职的“老”代表来说，他知道下一个环节就是选民提问和评议。“乡镇卫生院长期以来积累下来的效率不高、活力不足、医疗服务质量不高的状况还没得到根本改变，现在解决得怎么样了？”选民代表、寺头村村民张玉庆开门见山地问道。“我镇是山区乡镇，条件落后，近几年院里年轻专业人才招不来、留不住，你是否向上级部门反映过？”选民代表、医院职工冯永红接着提问……李兴军代表脸红冒汗，一边听，一边用笔快速地记录问题，向选民一一作出答复。“现场回答选民的提问，压力很大，也感受到了人大代表为选民代言、为选民办事的责任。”李兴军感慨道。

最小可探测到的距离：0.5 m（换能器以下）

脉冲重复次数（PRF）：12 Hz在20 m斜距（受制与处理器速度和选择的波束数量）

2.3 姿态传感器和SVP3417声速剖面仪系统

HEAVE精度：5 cm或5%（最高值），分辨率：1 cm；量程：±10 m

ROLL、PITCH精度：0.01°，分辨率：0.01°；量程：±30°

采样率：最快8幅/s，工作深度：8000 m

声速传感器：量程1 400 m/s～1 600 m/s，精度优于0.06 m/s，分辨率0.015 m/s

温度传感器：量程-2℃～32℃，精度±0.005℃，分辨率0.001℃，响应时间为10 ms

压力传感器：精度为满量程的0.15%，分辨率为满量程的0.005%，响应时间10 ms

3 方案设计

3.1 潮位控制

使用秦皇岛燕塞湖库区水文站原有水尺进行实时人工验潮。原水尺大沽基面高程符合本次测量规范要求，每30 min观测一次水位，测量时使用实时人工观测水位对测量数据进行单站改正。由于该水文站水位随季节变化较大，共在测区设立10个水尺，水尺上标注水尺零点高程。潮位站的位置示意图见图2。

3.2 测线布设

根据多波束测深系统采用的宽深比指标和测区内水深情况，多波束扫测布线间距依测量区域的水深变化而变化，最小测线间距为5 m，最大测线间距为20 m。测线依航道中心向两侧布设。浅点复扫时，测线走向及间距根据测区内的水深变化情况决定。测深线布设方向应按工程的需要选择平行于等深线的走向、潮流的流向、航道轴线方向或测区的最长边等其中之一走向布设。

图2 潮位站位置示意图

4 组织实施

4.1 多波束安装调试

ODOM ES3型多波束测深系统安装在“兴湖一号”旅游船上，ODOM ES3多波束测深系统采用船头固定安装方式；GPS定位仪安装在船的主驾驶仓上；光纤罗经安装在船体中轴线上；ODOM单波束测深仪安装于船舷左侧，各仪器安装示意图如图3和图4所示。

图3 仪器安装位置俯视图

图4 仪器安装位置侧视图

4.2 数据采集

因为多波束测深系统工作原理比较复杂，为保证测量数据的质量和精度，在实施外业测量前考虑以下影响因素并采取了相应措施：由于多波束对天气等外界因素的要求严格，所以扫测前注意收听天气预报，保证测绘人员、测绘设备的安全和测绘成果质量符合规范要求。测量过程中，测量船配载保证稳定，每日检查探头的吃水变化，保证系统的水平稳定性。工作人员工作时做好实时记录。必须实时监测数据质量及水深变化，记录实时天气、过往船只、周围环境变化等各种影响测量质量的因素，用于后处理时判断数据质量，以便发现问题，查找原因。对于不符合要求的数据，均进行了返工补测。

4.3 声速测量

声速每两天测量一次，保证了声速改正的正确。

4.4 数据处理

多波束数据在处理之前，先检查数据处理软件中设置的投影参数、椭球体参数、坐标转换参数、各传感器的位置偏移量、系统校准参数等相关数据的准确性。结合《多波束测深系统外业测量记录》，根据需要对水深数据进行声速改正、水位改正；应对每条线的定位数据、罗经数据、姿态数据和水深数据分别进行编辑。根据海底地形、各波束测得的水深数据的质量选择合理的参数滤波，然后进行人机交互处理。对于无法判断的点应从作业水域、回波个数、信号质量等方面进行分析。在数据经过编辑及各项改正后，应再次对所有的水深数据进行综合检查，根据各水深的传播误差及相连的水深利用表面模型进行评估，剔除不合理水深。使用海测大队编制的数据后处理软件“海测之星”进行数据转换，水深数据按照规范要求进行筛选。根据制图比例尺和数据用途对水深数据进行处理，并绘制水下三维地形图。

5 结语

通过多波束在秦皇岛燕塞湖库区水下三维地形测量的实际应用可知：多波束测深系统获得的高密度条带式水深数据能满足大比例尺水下地形测量的要求，可以绘出高分辨率高精度的水下地形图。本次对秦皇岛燕塞湖库区水域进行的多波束全覆盖扫测，通过扫测分析得出了合理的探测结论，提供了三维影像动态演示系统和水下三维地形图，为秦皇岛主要水源库区容量测算和旅游船舶安全监管提供了可靠依据，为该区域航政管理提供了重要的基础资料。

[1]朱庆，李德仁.多波束测深数据的误差分析与处理[J].武汉测绘科技大学学报，1998，23（1）：1-4.

[2]黄谟涛，翟国君，管铮.多波束测深技术研究进展与展望[J].海洋测绘，2000（3）：2-7.

[3]李家彪.多波束勘探原理技术与方法[M].北京：海洋出版社，1999.

[4]GB 12327-1998.海道测量规范[S].北京：中国标准出版社，1999.

[5]边少锋，李文魁.卫星导航系统概论[M].北京：电子工业出版社，2005.

2012-01-05