多波束技术在智慧航道建设中的应用

冯正茂 陈桃红 李忠文

多波束技术在智慧航道建设中的应用

冯正茂1陈桃红2李忠文3

（1.广西安全工程职业技术学院，广西 南宁 530100；2.广西民族大学，广西 南宁 530006；3.广州南方测绘科技股份有限公司南宁分公司，广西 南宁 530022）

智慧航道是现代化航道建设的发展方向，为了解决航道大数据中河床数据采集困难的问题，文章主要从航道水下地形数据采集的角度，研究和分析多波束测深系统在智慧航道建设中的应用，介绍了多波束系统的原理和性能，并论述了多波束系统在航道河床扫测中的应用，其扫测提供的详细水下地形数据，为三维电子航道图、数字航道为基础的智慧航道提供了丰富详尽的数据资源。在智慧航道的建设中，多波束测深系统发挥着重要的作用。

智慧航道；河床数据采集；多波束；数据资源

引言

大数据技术应用在不断影响和改变着人们的工作和生活方式，引发了各行业的广泛关注。国务院2015年9月发布《关于促进大数据发展的行动纲要》，纲要中提出要加快建设数据强国，充分挖掘数据价值，全面推进大数据技术的发展和应用，使大数据技术成为推动政府管理理念和社会治理模式进步的重要手段[1]。在水上航运交通领域，国家也提出了智慧航道建设的航道大数据研究和应用发展方向。《智能航运发展指导意见》（交海发〔2019〕66号）中明确提出：要加快推进大数据、云计算、物联网、人工智能等高新技术在港口、航道、船舶、航运调度、航行保障、安全监管以及交通运行服务等领域的创新应用，显著提升行业智能化水平，推动航运生产运行管理转型升级[2]。可见，打造以大数据为基础，实现航道通、航行畅、服务优、生态美的现代化智慧新航道，已经成为服务国家重大战略，实施数字交通、智能航运的方向引领。

智慧航道建设，应该在智能船舶“一个平台＋N个智能应用”的基础上进一步细化，构建“123N”体系：1中心＋2张图＋3张网＋N个应用系统。即“精细治理、联通融合”的数据资源中心；标准化的二维电子航道图、可视化的三维数字航道图；“北斗赋能、共享应用”的精准时空网、“实时监测、多维覆盖”的物联感知网、“全域覆盖、天地一体”的无缝通信网；围绕航道建设的规、建、管、养、应急等业务管理域的多个应用服务系统。目前航道大数据存在数据采集困难、数据孤岛（存储管理不共享）、感知空洞（基础数据信息不全）、认知降维（二维数据）、智慧假象（数据利用率低）等问题。因数据采集困难，工作船舶动态、天气雾情信息、航标状态、水位信息、河床演变等航道要素数据的采集仍然主要依靠人工手段采集汇总，缺乏实时动态的数据采集能力，实时性、精确性无法保证，导致航道监测能力较弱，无法满足智慧航道建设的需求，制约了航道服务水平的提高、航道维护效率和海事应急反应速度。数据采集和利用困难、动态信息监测能力不足，是未来航道信息化、智慧化建设的重点和难点[3]。

本文主要针对智慧航道建设中存在的航道河床数据采集困难的问题，从航道水下地形数据采集的角度，研究和分析多波束测深系统在智慧航道建设中的应用。

1 多波束测深系统工作原理

单波束测深系统由换能器、北斗导航设备、显示器、电源等部分组成。换能器安装在测量船底淹没在水中，由发射换能器A，垂直向水下发射声波脉冲，声波传播到水底，部分声波经水底反射或散射返回，被接收换能器B所接收。设过程经历时间为T，声波在水中传播速度为C，换能器的吃

图1 单波束测深系统的工作原理

多波束测深系统（multi-beam echo-sounding system）由多个传感器组合而成，是水声技术、导航定位技术、计算机技术以及数字化传感器等多种技术的高度集成，可同时获得舰船航迹方向的垂直面内多个深度值的声呐设备（如图2所示）。利用多种类型的传感器对水下探测目标的属性、位置、大小等信息进行数据采集，并利用数据融合算法实现目标物体的精确测绘、属性和大小的分析判断[4]。传统的单波束测深系统每次测量只能获得测量船垂直下方一个水底深度值，与之相比，多波束探测能获得一个条形带覆盖区域内多个测量点的水底深度值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，采集数据量大、精度高、内容信息丰富，对智慧航道建设、内河航道和港口航道的各类工程建设而言，其技术进步的意义十分突出。

多波束测深系统能完成大范围覆盖水深测量、航行障碍物探测，在航道河床、水底地形测绘的效率、精度、分辨率与水下地形成图质量上有了大幅度提高，整个系统从外业到内业全过程实现了自动化、数字化和智能化，彻底改变了传统的水下测量、航道测绘的方式。在智慧航道建设中的电子航道图平台建设、港口码头监测、航道养护、航道工程，以及海洋研究、水底管线调查和水运工程等领域中有着越来越广泛的应用。

图2 多波束测深系统工作示意图

2 多波束测深系统在航道河床扫测中的应用

在内河航道和港口航道工程的规划、勘测、设计、施工、质量监理、安全监督、保养维护、技术开发、技术管理和科学研究等工作中，多波束测深系统可以在以下方面为工程建设提供丰富的水下地形大数据资源。

2.1 水下各类障碍物的扫测与统计

多波束测深系统能够对航道河床的地形进行大范围覆盖扫测，水底同步测深点多，测量方便快捷，且能实时显示水下地形的声像图，在声呐测深量程范围内性能稳定、数据内容丰富、精度高，在水下障碍物扫测，航道疏浚、加深、拓宽、清淤、水下炸礁工程等河道和水运工程领域有着独特的优势[5]。根据全航道的扫测平面图，可以根据水下障碍物的特征，对障碍物进行分类、统计和大小尺寸测量（如表1、图3所示）。

表1 水下各类障碍物统计表

图3 水下各类障碍物分布图

2.2 水底地形地物局部点云图

为了对特定的物体进行更详细的计算和分析，水下的各种物体除了根据特征特性进行分类和统计外，还可以利用多波束采集的点云，进行局部点云图对比侧扫和背向散射等数据进行局部的详细分析（如图4所示）。

图4 水底地物点云局部图

2.3 水底采集侧扫声学数据

多波束测深系统可同时具有侧扫声呐的功能，在采集点云数据的同时，采集侧扫声学影像数据。侧扫声学影像数据有助于辨识水下物体的大小与类型（图5为多波束侧扫声学影像）。

图5 多波束侧扫声学影像

2.4 河床的背向反射数据图

水底物体表面的粗糙度和硬度不同，对声波产生的散射有较大差别。散射的一部分能量通过回波传回到声源发射处，称为背向反射。多波束测深系统可以采集背向反射数据，通过标准背向反射数据，可进行河床底质分析和分类，辅助判断障碍物类型（图6为背向散射数据）。

2.5 水下地形地物的高密度点云数据

多波束测深系统实时采集包括点云、侧扫、背反等基本数据。在高密度的点云数据中，不同颜色的点云代表不同的水深层次，直观地展现河床的平面图和形状。融合各种数据，水下的物体所在位置及局部轮廓的数据还可以进一步加密，可以使局部细节得以详细完整地展示。融合的数据还可以三维立体展示，从各个视角的视图，详尽地展现水下河床三维立体数据的效果。

2.6 绘制航道地形图

在高密度点云数据的基础上进行抽稀，生成航道水底的地形点。利用地形点三维坐标（包括平面坐标和水深值）数据，可以根据需要，用水下成图软件绘制各种比例的水下地形图，进一步编辑形成航道电子地图，既可以作为航道数字成果发布，也可以作为数字航道和智慧航道建设的基础。

图8 航道地形图及局部放大效果

2.7 航道和水运工程方面的应用

2.7.1 各类断面图的绘制

在航道建设的开发、利用、保护或恢复资源中，要进行各种航道或水运工程，利用水下地形图的成果，可以根据航道或水运工程的需要，绘制各类航道断面图（如图9所示）。使用成图软件，在航道地形图基础上，横、纵断面图任意比例可以自动调绘，也可以绘制成多种方式。

图9 航道各类断面图

2.7.2 多种方式土方计算数据

在航道工程建设中，经常需要做土方工程量的计算。根据航道地形图和断面图，可以选择多种土方计算方式。如方格网法、等深线法、DTM法、断面法，根据不同地质可进行分层土方计算，可以根据工程的进度进行两期土方计算法，根据工程设计需要进行设计土方计算等（如图10所示）。

图10 土方量计算

3 基于多波束测深系统的智慧航道建设应用

航道大数据以三维电子航道图、数字航道为基础，加以收集分析各类船舶航行轨迹、行为、航速、流量、靠泊特征，准确测绘航道河床变化信息，航道岸边三维地形信息，记录航道水位状况等，研究航道演变情况及趋势、船舶活跃量、船舶流量预测等信息，为确定航道边界、设置航标、航线的规划、航道运行管理提供了准确的数据支撑。多波束测深系统在航道河床扫测工作中提供了详细的水底地形数据，为三维电子航道图、数字航道为基础的智慧航道提供了丰富详尽的数据资源。

智慧航道的日常航道管理和养护也离不开多波束测深系统的辅助支持。比如每季度都要对80 km左右的航道进行河床扫测，以便对航道的水下整体状况进行实时掌握和数据更新；在采砂区管理、水下垃圾清除和水底障碍物清理工作中，多波束也可以起到很好的辅助作用，清障船搭载多波束对水下疑似障碍物进行扫测，确定其具体位置和形状大小等，以便决定采取何种清障的手段和工具。在航道的水下高桩检测和水底线缆探测，港口码头和闸室崖壁检测；水电站排水口检测，多波束都可以发挥不可或缺的作用[6]。

多波束扫测系统也可以在航道应急救援方面发挥很好的作用[7]。比如某地有一座桥发生坍塌，可以使用多波束采集的事故水域的水下地形数据进行处理和分析，对桥坍塌后的水下情况有准确的了解，以便更好地进行水下障碍物的清除，从而更有效避免来往船只与水下残存桥体发生碰撞。

相较于传统航道软式扫床的方式，多波束测深系统有明显的突出优势。首先，多波束扫测的数据更真实、连贯、直观，且能形成完整的数据集，可用于不同时间段的对比和分析，从而形成连贯的河道演变过程；其次，在辅助扫床清障方面，软式扫床精准度较低，对淤泥量的计算不精确，而多波束系统的扫测能获取较为全面且准确的水下地形地貌数据，弥补软式扫床的不足，更好地实现精准计算水下淤泥量。

4 结束语

多波束测深系统以全覆盖、高效率、高精度、高分辨率的水底测量方式，提供了丰富多样的数据成果，给水下地形测绘理论与方法带来了革新，在航道水下测量和浅海测绘领域拥有其他设备无法比拟的优势。未来随着高性能计算机、高分辨率显示系统、北斗定位系统、运动传感器以及数字化采集技术，相关物联网信号处理技术的广泛推广和应用，多波束测深系统技术还将会不断取得突破性进展，其在水运工程、智慧航道甚至智慧海洋的建设中，将会发挥越来越重要的作用。

[1] 中国政府网. 国务院关于印发促进大数据发展行动纲要的通知[EB/OL]. http://www.gov.cn/ zhengce/content/ 2015-09/05/content_10137.htm，2015-09-05.

[2] 中华人民共和国交通运输部. 交通运输部中央网信办国家发展改革委教育部科技部工业和信息化部财政部关于印发《智能航运发展指导意见》的通知[EB/OL]. https://xxgk.mot.gov.cn/jigou/haishi/201911/t20191119_3298977.html，2019-11-19.

[3] 鲁迪，李柏丹，章稷修，等. 基于云网交互的内河航道大数据应用体系构建[J]. 中国水运，2020(6): 59-61.

[4] 杨丽，王玉振. 基于多传感器的水上水下测绘数据融合算法[J]. 舰船科学技术，2021，43(2): 46-48.

[5] 张孝盛，蔡艳军，王凯，等. 多波束测深系统在水下障碍物扫测中的应用[J]. 四川职业技术学院学报，2014，24(5): 159-161.

[6] 章家保，程李凯，朱瑞虎，等. 多波束测深系统在水下检测码头接缝中的应用[J]. 水运工程，2019(7): 99-104.

[7] 傅仁琦，沈正一，高博. 国产多波束系统在海上失事船只探测中的应用[J]. 舰船科学技术，2015，37(8): 153-156.

Application of Multi-Beam Technology in Intelligent Channel Construction

Intelligent waterway is the development direction of modern waterway construction. In order to solve the difficult problem of riverbed data collection in channel big data, this paper mainly studies and analyzes the application of multi-beam sounding system in the construction of intelligent waterway from the angle of underwater topography data acquisition. This paper introduces the principle and performance of the multi-beam system, and discusses the application of the multi-beam system in channel riverbed scanning survey. The detailed underwater terrain data provided by the multi-beam system provides rich and detailed data resources for the intelligent channel based on three-dimensional electronic channel map and digital channel. Multi-beam sounding system plays an important role in the construction of intelligent channel.

intelligent channel; riverbed data collection; multi-beam; data resources

U61

A

1008-1151(2022)04-0001-06

2022-01-26

2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“面向应急管理的测绘地理信息技术研究”（2021KY1526）。

冯正茂（1976－），男，广西浦北人，广西安全工程职业技术学院副教授，工程师，注册测绘师，土地登记代理人，研究方向为测绘及遥感技术应用，应急测绘管理。

陈桃红（1977－），女，广西南宁人，广西民族大学副教授，博士，从事管理科学与工程理论研究。