多波束测深技术在水利测绘中的应用

摘要：水利测绘是组织水利工程建设、了解区域自然条件的关键手段，这要求改善工作水平，并从技术角度寻求更多突破。以多波束测深技术在水利测绘中的应用优势为切入点，在此基础上，分析其应用方法，就坐标系建设、归位分析、参数校正等主要环节进行论述，最后，简单展望多波束测深技术在水利测绘中的未来应用，以有效呈现技术优势、特点，服务水利测绘活动。

关键词：多波束测深技术"水利测绘"坐标系"参数校正

Application"of"Multibeam"Bathymetry"Technology"in"Water"Conservancy"Surveying"and"Mapping

CHANG"Zhengke"GUO"Zhenzhen

Yellow"River"Hydrological"Survey"and"Mapping"Bureau，"Zhengzhou，"He’nan"Province，"450000"China

Abstract："Water"conservancy"surveying"and"mapping"is"a"key"means"of"organizing"water"conservancy"engineering"construction"and"understanding"regional"natural"conditions，"which"requires"improving"work"level"and"seekingnbsp;more"breakthroughs"from"a"technical"perspective."Starting"from"the"application"advantages"of"Multibeam"Bathymetry"technology"in"water"conservancy"surveying"and"mapping，"on"this"basis，"this"paper"analyzes"its"application"methods，"discusses"the"main"links"of"coordinate"system"construction，"positioning"analysis，"and"parameter"calibration，"and"finally"briefly"looks"forward"to"the"future"application"of"Multibeam"Bathymetry"technology"in"water"conservancy"surveying"and"mapping，"in"order"to"effectively"present"technical"advantages"and"characteristics"and"serve"water"conservancy"surveying"and"mapping"activities.

Key"Words："Multibeam"Bathymetry"technology;"Water"conservancy"surveying"and"mapping;"Coordinate"system;"Parameter"calibration

多波束测深技术属于一种测绘技术，主要采用广角度发射和多信道定向接收获得水下高密度条幅式水底地形数据。因其覆盖能力强且能够同步组织多波束作业，往往可以短时间内获取比较精准的原始信息，提供高质量的测绘服务。在各地水利工程中，多波束测深技术的应用比较广泛，可以获取较理想的预期成果[1]。考虑到未来水利工程建设、资源调查对探测信息的高依赖性，分析多波束测深技术在水利测绘中的应用优势、方法等内容具有一定的积极意义。

1"多波束测深技术在水利测绘中的应用优势

1.1精度高

在水利测绘中，多波束测深技术的主要优势在于精度较高。从一般原理上看，多波束测深技术没有脱离波束探测的基本范畴，仍以声波为工具，但由于该技术下工作设备（一般由船只装载）能够完成多声波的同步作业，在同一空间范围内快速实时进行原始信息采集，显著提升了信息采集的范围效应和准确性，进而保证了作业精度[2]。此外，现代化的传感设施、定位系统、计算机设施也进一步为多波束测深技术的运用提供了支持，能够完成短时间内复杂数据的快速加工处理。在海洋水利工程探测活动中，其精度已经可以控制在10"m以内，成果理想[3]。

1.2效率理想

多波束测深技术在水利测绘中的应用也具有效率较高的优势。传统的波束探测技术主要面临精度、成本二者难以兼顾的问题。采用窄波束技术或加密测线的情况下，虽然探测精度较高，但带来了成本压力，探测工作的时间成本也较高。采用多波束测深技术，能够利用不同波束进行信息采集，面向相同空间范围内的不同目标、不同小空间获取原始信息，多方向的采集作业是同步进行的，能够控制时间成本，保证测绘精度的同时，优化了作业效率[4]。

1.3适用范围广泛

从适用性上看，多波束测深技术能够满足大部分区域、大部分水利工程测试工作、大部分资源探测工作的一般需求，这意味着其在适用性方面具有一定优势。例如：针对近海大陆架、内湖深水区组织的水利测绘，在水深、水质等主要环境因素差别不大的情况下，可以采用相同或基本相同的作业模式，减少或避免重复进行工作系统设计、建设的困扰[5]。应用于多波束测深技术的绝大多数设施和工具可以重复应用，其测绘结果也可以重复用于测绘有关活动，发挥延伸服务作用。

2"多波束测深技术在水利测绘中的应用方法

2.1早期准备

多波束测深技术在水利测绘中的应用以早期准备工作为基础，主要包括测绘区域基本信息分析、水下环境研究、设施准备、船只准备等。目前，多波束测深技术主要以探测船只为载体，需要以船只搭载工作设备采集有关数据。早期工作应做好船只、声波发射和接收器准备，确保船只行驶控制能力理想、设施功能无异常；同时了解水下基本环境，确保其符合多波束测深技术的应用需要，规划合理的探测方案、路径，规避礁石、水下干扰源等影响测绘精度的区域，形成完善的工作方案，指导后续测绘工作。

2.2坐标系建设

在尝试发挥多波束测深技术的优势组织水利测绘时，要求根据技术特点首先进行探测空间范围内的坐标系建设。该坐标系一般以测绘范围为基准，以相对不变的物体为参考（如船只），为广角度发射、多阵列信号定向接收形成的信息网络提供定位方面的支持，以便同步完成多波束信息的加工（如图1所示）。

具体工作中，可以根据图1所示原理，以船只横向左舷（波束1所在方向）为X轴，以船只纵向船头方向（波束2所在方向）为Y轴，以铅垂向下为Z轴。此模式下，主要默认波束系统的换能器相对船只位置固定，以船只作为参考物，将换能器的对称中心作为坐标系原点。船只的位置实际上与换能器同步变化，但由于二者的变化形式、方向、规模完全相同，可以默认在某一个时间节点内反而是固定不变的，在此条件下建设的坐标系也仅用于表达该时间节点条件下目标区域的测绘结果信息。该信息是二维化的，通过多信息组合形成立体三维化的测绘结果后，可用于后续另类关联工作。实际工作中，如果使用了非船只搭载的工作系统，则不能应用此方式，需要重新选定具有相对不变特点的物体作为参考物，建设新的坐标系。

2.3有效组织归位

在应用多波束测深技术组织水利测绘时，需要加强归位工作。该工作主要强调根据坐标系的建设结果、测深工作的具体信息进行变量处理，将不同时间节点下获取的静态信息转化为三维立体化信息，形成便于应用的结构化测绘成果。

在船只搭载设施进行测绘的情况下，一般需要考虑船位、航向、船姿、声波传播时间等4个核心要素，并考虑介质成分的影响。其中，声波传播时间带有一定的动态性。由于测深区域的水底情况不同，所以其深度往往是不同，波束到达角和波束旅行时也多存在差异。为保证归位工作质量，可以采用以下方法进行处理。

一是以船只参考系的波束到达角为基础，计算其具体数值（数值1），并确定该波束被接收时的船姿参数，将数值1转化为垂直参考系下的波束到达角。此方式的优势在于原理简单、方式明确，但不能妥善考虑其他次要因素的影响，可能产生较多误差。

二是以船位、航向等静态信息为基础，计算声学投射平面内的侧向中心距离数值（数值2），建设大地参考坐标系统，将数值2转化为平面坐标进行归位。该方式也可能产生一定误差，对动态因素的控制能力不强。

三是确定声波的投射平面范围、垂直参考系有关参数，对波束到达角、旅行时进行分析，计算波束测点的侧向中心距离（数值3）、换能器以下的水深参数（数值4），计算数值3和数值4的差异，以评估动态可能造成的影响。因为不同波束的工作存在少许时间差，所以，这一方式可以根据时间差进行参数误差控制，以提升归位精度，但计算工作量较大，复杂性偏高。

2.4信息存储与复用

在水利测绘过程中应用多波束测深技术的情况下，需要对各类原始信息、进阶信息进行读取、加工和记录，并做保存和复用。原则上，所有同一时间节点内形成测深数据形成的二维平面图，对多个二维平面图进行处理，可以形成三维化的模型图。仅以测深为目标，也可以不做三维化处理，对二维信息进行整合，形成测深文件即可。原则上，主张对测深结果进行数字化处理，存储于云空间、便携式设备或电子计算机数据库中，以便后续调取、查看和使用。

3"多波束测深技术在水利测绘中的应用展望

3.1智能作业

未来，可以借助智能技术，提升多波束测深技术在水利测绘中的应用效果。以上文所述的横摇偏差校正为例，在组织测深过程中，可以建立虚拟工作系统。该系统利用智能技术、水准仪等进行工作，当船只出现横摆、位置偏移问题，或者设施安装不能达到水平要求时，由虚拟工作系统给出提示和纠正意见，工作人员根据有关信息进行校正，更改船只和工作设备的位置，使横摇偏差得到控制，改善多波束测深技术所获数据的精准度，优化其在水利测绘中的应用质量。

3.2模型测绘

模型测绘主要建议加强多波束测深技术工作资料的复用，收集成熟的技术方法及作业机制和参数，并以信息化方式保留，形成完善的工作模型，如偏差纠正、航速航向控制等，形成比较完善的技术标准，在组织水利测绘时代入该模型，以改善早期工作效率，提升测深工作的规范性。

3.3介质影响分析与控制

海水、河水和湖水的成分各有不同，水内的一些成分影响声波传播，进而影响多波束测深技术在水利测绘中的应用效果，降低测深工作精度。未来，在组织测深工作开始前，可以采集测深范围内的水样，分析其成分，建立补偿机制，根据水样特点分析偏差水平，获取一个固定参数归入测深工作原始信息中，用于纠正测深产生的偏差。

4结语

综上所述，多波束测深技术在水利测绘中的应用具有精度高、效率理想等方面的优势，适用范围也比较广泛，应在具体工作中予以更多关注。在实际工作中，应根据测试需要做好准备工作，之后，通过坐标系建设、归位组织、参数校正等工作获取可靠的测绘结果，并做存储、复用。为了进一步提升该技术的应用效果，未来，可以尝试引入智能技术、模拟分析法提供辅助，设法控制介质因素的一般影响，提升水利测绘工作的总体水平。

参考文献

[1]任扣清，刘磊，郁皓杰.多波束测深仪在超浅水域的应用分析[J].现代测绘，"2024，47（1）：48-50.

[2]刘定宁.无人船多波束测深技术在抛石护岸工程评价中的应用[J].广东水利水电，2024（1）：93-96，105.

[3]于家成，姜凯文，赵红颖.地形导航多波束测深综合效应的邻域改正技术[J].全球定位系统，2023，48（6）：52-57.

[4]蔡涛涛.基于FPGA的多波束合成孔径声呐信号采集处理系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2023.

[5]张万远.基于多波束测深声呐的泄漏气体检测与量化技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2023.