河北省水利水电勘测设计研究院 050081
摘要：多波束测深系统的应用，为大中型水库的水下测量工作提供了优质的解决方案，为水库管理者进行科学化管理和决策提供了技术支撑。
关键词：多波束测深系统；库容曲线
1.多波束测深系统简介
多波束测深系统也称声纳阵列测深系统，利用超声波原理进行工作，系统由GPS定位系统、多波束换能器（探头）、光纤罗经、声速剖面仪、水深数据采集处理器、数据处理软件等构成。
与传统的单波束测深系统每次只能获得测量船垂直下方一个深度值相比，多波束测量能够获得一个条带覆盖区域内多个测量点的深度值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，两种测量方式如图1所示：
图1
多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对水下地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出水下地形的三维特征。
2.项目概况
岗南水库位于河北省平山县岗南镇附近的滹沱河干流上，距省会石家庄58km，是滹沱河中下游重要的大（Ⅰ）型水利枢纽工程，控制流域面积15900km2，总库容15.71亿m3，水库以防洪、供水、灌溉为主，结合发电，与下游28km处的黄壁庄水库联合控制流域面积23400 km2。
截至2016年，库区已有近30年未进行库区淤积及库容曲线的测量，对水库的安全运营带来潜在的威胁。为了全面摸清水库现状，并对淤积趋势做出科学预测，最大限度的发挥水库效益，管理部门决定进行水库库区淤积及库容曲线修复测量。
3.测量方案
项目测图范围为215m高程以下区域，总面积约89.5km2，其中水域部分约23.7 km2（相当于194m高程水位），陆上部分约65.6 km2。
陆上部分采用无人机低空数字摄影测量，水域部分采用多波束测深系统和单波束测深系统完成：
（1）对于水深3m以上的区域，采用EM3000D多波束系统完成。
（2）水深位于0.5～3m时，为了避免船体和多波束探头与河底不明坚硬物碰撞，采用HD-370单波束数字测深仪测量。
（3）水边线至0.5 m水深的部分由人工涉水用GPS流动站进行碎部测量。
4.水下地形测量
本文重点介绍多波束测深系统的操作应用以及同传统单波束测深系统的精度比较。
4.1 仪器指标
项目采用丹麦Reson公司的高分辨率的多波束系统Hydrobat进行水下扫测，其工作频率为160KHz，测深范围为1m～200m，覆盖范围是测量深度的3.4倍，该设备具有智能操作、系统集成度高、精度高等优点。系统主要由112个波束的换能器阵列、高精度的SMC108姿态仪、SVP70声速仪、Timble SPS461定位定向仪组成。
Hydrobat系统能够实现水下地形测量、三维图形处理、高密度点源数据输出等功能。在航行速度不高于5节的情况下，利用GPS、姿态仪实时监测、调整测量船的姿态并进行实时的数据校正，换能器完成水深测量，转入内业后，根据外业实测成果进行分析、计算，并可完成部分遗漏区域的数据插补，形成高精度、可视化3D水下地形图，根据实际工作需要，与其它数据后处理系统实现数据共享。
4.2 参数转换
选取D级GPS平高控制点7个（G1、00G2、00L1、00G5、00G4、00L2、00G3），使用GPS求解七参数转换模型，将该七参数运用到Reson Hydrobat坐标改正。用GPS _RTK 检核中心点坐标，误差在3cm之内，符合要求。
图4.2 测量工程采用的七参数
4.3 作业实施
1）为掌握水库内水位变化，在水库四周设立了4根水尺，并引测了水尺零点高程。每日观测水位4次，上午下午各两次，并用GPS_RTK检核水位值。
2）多波束安装校准。
按照多波束系统校正要求，选择了长约100米，宽度50米相对平缓的区域作为校正场，分别用于Latency、Roll、Pitch、Yaw的校正。在一定斜坡区域内，同向不同速，测量四条航线。在平坦地区，反向航线测量同一条航线，结果为0.84°；在斜坡区域内，反向航线实测，结果为1.5°；同向平行，斜坡区域设置航线，2.97°；校正结果见图4.3.1。
3）在测深前，用60×60cm钢质测试板进行测深比对，调整好水深测量的声速值、吃水深、灵敏度、发射功率等有关技术参数后进行水深测量，校核显示测深仪与测深杆的比对精度满足规范要求。本项目水深测量过程整个水深测区波浪均小于0.4m，满足规范作业要求。
4.3.1 多波束校正检验图
4）航线设置间隔为30m，进行水底全覆盖扫测，水下地形全貌图见4.3.2。
4.4 精度比较
测量结束后，采用HD370
图4.3.2 水下地形全貌图
与多波束测深数据进行比较，重合点最大值为9cm，最小为0，测深精度为±3.6cm，精度良好。见表4.4。
5. 库容曲线绘制
通过PDS2000软件，将外业测得的原始数据整理成坐标、高程数据格式，然后通过差补功能将所有高程点整合成面域，生成Grid模型。计算不同水深下的水库容积，形成水库的水位-库容对照表及库容曲线图（见图5.1）。通过该项目库容曲线与1989年计算的库容曲线相比较，得出库容差值即淤积量，两期库容曲线对比见图5.2，淤积量变化曲线见图5.3。
表4.4 多波束与单波束测深比较表
测点X（m）Y（m）多波束HD370△z（m）
Z（m）z（m）
1494857.44245191.5177.08177.13-0.05
2495028.34244817.4178.18178.20-0.02
3495148.84244482.7178.48178.53-0.05
4496103.04244874.8177.38177.370.01
5496547.04245106.0177.40177.46-0.06
6498044.04244349.2164.48164.440.04
7498980.14244229.3163.47163.470.00
8499505.44244074.7162.23162.27-0.04
9500040.14244214.5161.55161.58-0.03
10500041.84243973.3161.72161.660.06
11500356.54244240.2161.59161.500.09
12500080.04243913.6161.51161.55-0.04
13499210.34246103.6161.15161.25-0.10
14499239.14246573.8162.22162.200.02
15499257.44246853.6163.02163.06-0.04
16499309.34247794.9168.05167.960.09
17499153.14248921.2175.64175.66-0.02
18499172.64249307.1177.62177.63-0.01
19498935.54249248.8177.99177.960.03
图5.1 水位-库容曲线图
图5.2 两期库容曲线图
图5.3 库容差值(淤积量)变化曲线图
6. 结语
多波束测深系统在此次水库库容曲线测量中的应用，科学、真实地反映了水下地形，作为一种先进的水下地形测量方式，与传统的单波束相比，具有测点多、精度高、迅速快捷、全覆盖等优点。
多波束测深系统的应用，为大中型水库的水下测量工作提供了优质的解决方案，为水库管理者进行科学化管理和决策提供了技术支撑。
参考文献：
[1]王闰成，卫国兵 多波束探测技术的应用，海洋测绘.
[2]朱庆，李德仁. 多波束测深数据的误差分析与处理[J].武汉大学学报（信息科学版）。
[3]冯雷 多波束测深系统在水库库容测量中的应用 .大坝与安全
论文作者:赵阳
论文发表刊物:《防护工程》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/28
标签：波束论文; 测量论文; 库容论文; 水库论文; 水深论文; 水下论文; 系统论文; 《防护工程》2017年第22期论文;