基于多波束测深技术及监测平台在水生态建设中的研究

黎富忠

（广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司，广西南宁 530023）

0.概述

现随着科学技术的发展，水下测深技术逐渐成熟。水下测深主要应用于河流、湖泊、水库、海岸、港湾等水域水下深度测量与水下地形测绘。测深仪器由以前的单波束测深系统转为多波束测深系统。多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成。多波束测深系统是一种可以同时获得船下方垂直主向的波束，及多个相邻窄波束的回声测深系统。与传统的单波束测深系统每次测量只能获得船垂直下方一个测量深度值相比，多波束探测能获得一条带覆盖区域内多个测量点的深度值，实现了从“点至线”测量到“线至面”测量的跨越，通过对数据的深入研究，可通过数据滤波、压缩提取等技术的数据处理，提取水下地面点云数据，可构建水下DEM地形，构建水下三维图形。具有横向覆盖范围大，波束窄，测量速度快、精度和效率高等优点，适用于重点区域、大面积区域的高精度测量，也可以用于精确测定航行障碍物的位置、深度的测量。

1.研究内容

利用多波速测深技术在水生态建设中快速准确采集水下地形数据，通过研究点云数据滤波等后处理的方法，分析数据类型，研究快速、可靠的数据滤波方法[1]，滤掉水下水中飘浮物、干扰物，提取水下地面数据，建立高精度的数字高程DEM和三维模型，可大幅提高水下地形测量的精度，大幅提高水下测量工作效率，快速构建水下三维模型。同时，研究开发监测系统平台实现对水下地形进行周期监测，对各周期的水下三维模型数据进行分析对比，统计水下地形变化量，并把水下三维地形模型与地面实景三维模型相结合，在该平台上可显示水上、水下全三维信息，可查看地形演变等，可监视水下地物地貌的细微变化等。该技术在堤防安全、溃口、崩岸监测及水下裂缝、物体打捞、采砂规划治理、水下工程施工监测、水底大坝结构等方面具有其他方法不可替代的重要作用，为项目信息化提供更丰富更立体的三维成果，为项目设计提供更科学依据，为水环境治理、水生态建设、河道演变研究、堤围突发事件处置的应急监测、水库信息化管理等提供基础数据和技术支撑。

2.数据采集处理及平台建设

因多波束是现代信号处理技术、高性能计算机技术、高分辨显示技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技术及其他相关高新技术等多种技术的高度集成，我们从外业测量仪器的安装观测、操作等测量过程始都进行严格控制，以确保数据的高精度采集、滤波提取及变化量的分析。主要研究多波速测深系统的各参数校正，对影响到测深的定位时延、横摇偏差、纵摇偏差和航向偏差进行测定与校准。经过校准，其综合测深误差满足限差要求后，还应在水深大于或等于测区内的最大水深、水下地形平坦的水域采用单波束测深仪（测深精度已校准且优于规定精度）对系统进行水深精度比对，水深比对不符值的点数不应超过参加总比对点数的15%，比对不符值的限差按式计算或查多波束水深测量主、检比对极限误差图。数据处理之前，应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。数据处理时，应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。应对每条测深线的定位数据、罗经数据、姿态数据和水深数据分别进行编辑。水深数据编辑时，应根据水底地形、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。数据经过编辑及各项改正后，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附近的水深利用表面模型进行评估，剔除不合理水深数据，通过精度检测，测量精度符合相关规范要求，然后用于后期的监测系统平台分析。

基于多波束测深技术测量水深，并把各周期采集及处理后的数据创建数据库，基于B/S架构开发监测系统平台加以导入分析、统计、监测演变及管理应用等[2]，融合各种数据源进行叠加多样化显示，实现监测记录资料、监测成果等信息入库,实现数据查询、分析、出图等功能。B/S是Web兴起后的一种网络结构模式，这种模式统一了客户端，基于表现层、逻辑层、数据层三层架构,将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器，即可实现多客户访问、操作计算的目的，简化客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量。

3.技术路线及效果

根据研究目标制定了以下工作流程及技术路线（如图1），经过外业测绘人员多周期的现场测量采集数据对比，相对于单波束测深仪，多波束测量数据点密，能够更精确地测出水下目标物的大小、形状和高低变化，绘制的等深线更详细，也更真实地反映地形地貌特征。

图1 技术路线图

同时研究开发监测管理平台，实现Web端多用户访问、外业测绘数据入库、多周期数据对比、各周期水位变化、三维动画等功能，如图2。

图2 监测管理平台主界面图

4.结语

通过对多波束测深技术的研究，显著提高了工作效率，测深数据准确可靠，水深数据在系统中自动生成水下地形图、DEM、三维模型等，通过融合岸上实景三维模型等多数据源，建立工程可视化三维平台，通过各周期的监测数据对比，以三维动画方式演示历史变迁效果，同时分析、计算、统计变化量，实现水流和泥沙模型三维可视化，通过对河流、水库等多周期的监测，进一步加强水利规划环评、水利综合执法、泥沙治理、边坡稳定分析、提升水利生态环境，为水生态建设提供决策依据。监测平台将根据需要拓展、优化完善各功能，为水利信息化建设添砖加瓦。