技术交流  ▏RESON Seabat T50-P多波束系统在水下基坑测量中的应用

多波束测深系统是一种多传感器的复杂组合系统，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。不同于单波束测深系统，多波束测深系统可在测量断面内形成十几个至上百个测深点，几百个甚至上千个回向散射强度数据，从而保证了较宽的扫幅和较高的测点密度；另一方面，较窄的波束、先进的检测技术和精密的声线改正方法的采用，也确保了测点船体坐标的归位计算精度，因而多波束测深具有全覆盖、高精度、高密度和高效率的特点。可以说，多波束测深系统的出现，极大地改良了传统水深测量的作业方式，在海洋调查中的应用愈发广泛。

本文以海底地形中的水下基坑为案例，介绍RESON Seabat T50-P系统组成及特点，并通过其在水下基坑中的具体实施及数据处理，分析其精度及成果。

一、组成及特点

⒈RESON Seabat T50-P系统组成

SeaBat T50-P是SeaBatT系列的新成员，是丹麦Reson公司研制的一种新型的高度集成化多频率的水下三维成像声纳系统，由硬件和软件部分组成。其中硬件部分主要包括：声速剖面仪、表面声速仪、DGPS、罗经、换能器及处理单元、一体化惯导（三维姿态仪）、主机配以网络交换机、计算机组成；软件部分主要是多波束数据采集及处理软件，如图1。

图1  RESON Seabat T50-P系统组成

⒉RESON Seabat T50-P系统特点

⑴高度集成、安装便捷，作业方便。Teledyne Reson SeaBat T50-P多波束系统包含：便携声呐处理器（PSP）。PSP是一台强大的声呐处理器，简化了线缆连接，便于设备快速安装布置。它可以用于声呐、传感器数据及准确时钟同步的单点连接，可以通过标准以太网连接到测绘使用的台式机或笔记本电脑上。

⑵大扫宽角度，波束数量多。等距模式下150°，等角模式下165°，且波束数量达到512条。

⑶工作频率范围大。可以在19～420kHz之间自由调节，步长为10kHz。

⑷测深分辨率高。测深分辨率达到6mm，可以有效分辨复杂的海底地形。

二、外业实施

本案例为上海某水域，临近主航道，且来往船舶较多，为了解此区域的水下地形情况，对该区域进行多波束全覆盖水深扫测，并对该区域地形做出分析。

⒈设备安装

主要对系统各部件包括换能器、GPS、罗经、三维姿态仪、显示器等进行组装并调试。本次换能器安装采用船舷方式安装，如图2。

 图2 系统各设备安装位置

⒉安装校准

多波束系统各设备安装完毕，运行调试后，为了消除系统误差，必须进行两坐标系统之间的平移、旋转校准，将换能器基阵中心位置归算到测量船重心位置处，以保证测量结果的客观性。安装校准在具有一定坡度和特征的区域进行。校准参数包括横摇、纵摇、艏向。GPS因采用PPS模式传输数据，故不需再进行时延校正。具体测试方法如下：横摇-平坦区域、反向、同速、同一测线。纵摇-斜坡区域、反向、同速、同一测线。艏向-斜坡区域、同向、同速、不同测线。

经外业数据采集，通过软件校准计算求得各改正值，横摇-0.63°，纵摇-2.95°，艏向-2.27°。

⒊潮位观测及声速测量

潮位和声速数据是多波束系统水深改正的重要部分，它直接影响最后的数据质量，因此潮位观测及声速测定必不可少。本次潮位数据使用测区水文站观测的潮位，时间间隔10min，以测前半小时及测后半小时为区间进行记录。声速测量使用英产mini SVP声速剖面仪，分别在测前、测中及测后对区域内声速进行测定。

三、内业处理

本次多波束外业采集数据软件使用PDS2000，内业处理软件使用QINSY公司开发的QPSqimera软件，qimera是一款易于使用且功能强大的声纳数据处理应用程序，兼容多种外业软件数据采集格式，包括常用的QINSYDB，KongsbergALL，RESON/NorbitS7K，HypackHSX，GSF等。

Qimera包括的功能如下：

⑴支持多种原始数据格式及编辑后离散点数据导入。

⑵声速改正、潮位编辑。

⑶安装校准测试、摆动测试。

⑷多种滤波模式，如CUBE滤波、尖刺过滤等。

⑸强大的数据编辑模式，如swath编辑、三维编辑等。

⑹成果数据导出格式支持自定义编辑。

⑺引导性的工作流程，以最少的用户输入减少操作错误。

使用qimera进行多波束内业数据处理关键步骤包括：静（动）吃水、潮位、声速等改正值合并，建立动态曲面，尖刺滤波，CUBE滤波及三维编辑、swath编辑等，见图3。

图3  qimera多波束处理流程

四、成果分析

使用qimera软件根据以上流程处理最后分别得到1m及5m格网建立的数字高程模型图，如图4，图5。

                                      图4  1m格网模型                          图5  5m格网模型

根据数字高程模型显示，该区域有两处基坑，形态一大一小，大基坑形状似“W”字母，总长度近5km，宽度约300m，最深处达13.5m，原泥面水深约8.5m，基坑与原泥面深度落差近5m，基坑区域内地形表现平缓规整；小基坑长度约1km，最宽处约170m，水深可达15m，与原泥面落差近7m。通过比对1m及5m格网模型，可以看出1m格网模型呈现的地形细节精细程度明显优于5m格网模型。

通过对大基坑特征位置附近地形进行剖面分析，如图6，可以明确看到此区域的深度起伏变化，剖面地形呈梯次变化，由8.5m水深在20m处陡深至10.5m附近，斜率约为1∶2，后至110m处出现急剧变深至13.5m附近，宽度达90m，斜率1∶4，深度剖面呈现“圆拱”形态，后梯次变浅至8m，宽度约40m。结合模型图可以看出此处地形在原有基坑基础上再次加深。结合模型图可以看出此处地形在原有基坑基础上再次加深。该处基坑呈现8.5，10，13.5m三种水深梯次变化，在水深变化处斜率近似相等，水下基坑地形规整。

图6 大基坑地形典型剖面图

通过对小基坑特征位置附近地形进行剖面分析，如图7，该剖面亦呈现梯次变化，由海底原泥面的8m，急剧变深至12.5m附近， 以缓坡地形式后逐渐变深至15m左右，宽度达160m，后急剧变浅至8m附近，斜率1∶2。

图7 小基坑地形典型剖面图

综合大小基坑附近地形剖面及整个高程模型分析，此区域内两处基坑与周围原泥面水深有明显差异，基坑内水深变化平缓且地形规整，两处基坑非自然形成，疑似采砂船在此采砂施工造成。

五、精度评定

多波束数据成果的精度包括内符合精度及外符合精度。内符合精度可通过主测线和检查线中央波束来计算，这样可得到一个交叉点不符值的点数列。外符合精度是以主测线或检查线中央波束水深作为参考水深，与检查线或主测线的扇面水深计算交叉点不符值。

根据JTS131—2012《水运工程测量规范》中深度比对互差要求：水深H≤20m时，深度比对互差≤0.4m，且超限点的比例≤20%，如表2，表3。本次测量内、外符合精度均满足规范要求，成果质量可靠。

表2  内符合精度对比情况

表3  外符合精度对比情况

六、经验总结

⑴多波束测深系统是多种精密设备集成后的产物，每个设备都对最终的数据质量有着至关重要的作用，因此在测量实施前的准备环节，要对各设备的运行状态须作重点关注，正确量取各设备安装时的相对位置，以及安装校准值的计算。

⑵类似的海底基坑调查作业，要对调查区域有事前了解，这样可针对其区域特征选择满足调查需要的设备。在外业施测时的规划测线，尤其在陡坡（水深急剧变化处）附近需适当加密，以保证多波束外业的全覆盖扫测。

⑶建立的数字高程模型图，格网越小，细节显示越细致，但文件大小也成倍增长，因此最终的成果应根据实际需要选择合适的格网大小。

七、结语

通过本次水下基坑扫测，RESON Seabat T50-P多波束测深系统在整个测量实施过程中，系统各设备运行状况稳定，良好地完成了外业测量工作。由qimera多波束处理软件分析处理后建立的数字高程模型图及剖面图，清楚呈现了水下基坑的具体形态（走向、长度、宽度、坡度等信息），直观地表现了周围地形的差异变化，且分辨率高，经分析软件统计，外业采集数据精度高，质量可靠，对其他类似的水下地形调查项目，可以起到很好的借鉴意义。

【作者简介】刘权，1986年出生，男，河北衡水人，上海浦海测绘有限公司，助理工程师，主要从事海洋测绘、河道勘测、工程测绘工作。文章来自《水科学与工程技术》（2020年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请注明由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。