1. 引言
近年来受水沙条件变化、河势自然演变以及岸线整治和航道治理工程等影响，长江口河段受上游来沙影响，河道近岸局部深槽冲刷加剧[1]，给沿岸集装箱码头桩基造成较大影响，对码头的安全运行构成了较大的安全隐患，定期对码头开展安全监测十分必要。
传统的单波束测量技术只能采集垂直于测船的河底高程，采样数据量少，对于水底全地形探测显得很无力[2]。近年来，随着科技的发展，测绘的技术手段不断更新，多波束测深系统作为一种具有高效率、高精度和高分辨率的水底地形的新技术，将水下地形测量技术从点线扩展到面状，得到了广泛的推广和应用[3] [4]。本文选用R2 SONIC 2024型多波束对某大型码头前沿水域进行多频次水下地形观测，通过多期数据的对比分析，研究了该码头前沿水域经抛石加护后的变化趋势，为码头管理提供合理的技术依据。
2. 多波束测深系统介绍
2.1. 多波束测深系统工作原理
多波束测深系统的工作原理是利用阵列式发射换能器向水底发射宽扇区覆盖声波，并由接收换能器基阵对水底回波进行窄波束接收，通过发射、接收波束相交在水底与船行方向垂直的条带区域形成数以百计的照射脚印，利用信号处理方法对这些脚印内的反向散射信号进行到达时间t和到达角度θ (反向散射信号和水平面法线方向的夹角)的估计，结合定位数据、测量船的姿态数据、声速数据，由公式
计算得到航向垂直的垂面内上百个甚至更多的水深值[5] [6]，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。
图1. 多波束系统组成
2.2. R2 SONIC 2024多波束测深系统的组成及性能
R2 SONIC 2024多波束测深系统主要包含多波束声学子系统、辅助设备、数据采集及处理子系统(见图1)。
多波束声学系统包括多波束发射接收换能器阵(声呐探头)和信号控制处理电子系统，其技术规格如表1。
表1. R2 SONIC 2024技术规格
多波束型号 |
信号
带宽 |
分辨率 |
工作频率 |
波束角度(垂直航线 × 沿航迹) |
覆盖宽度 |
波束个数 |
最大量程 |
发射速率 |
脉冲长度 |
R2 Sonic 2024 |
60 kHz |
1.25 cm |
200~400 kHz |
0.5˚ × 1˚@400 kHz 1˚ × 2˚@200 kHz |
10˚~160˚ |
256 |
500 |
最大到75 Hz |
10 μs~
1 ms |
辅助设备包括GNSS、姿态传感器Octans、声速剖面仪、PPS时间同步等。工作站主要包含数据的控制、采集、后期处理、转换、显示输出软件等一系列软件。OCTANS一体化罗经和运动传感器内含3个光纤陀螺和3个加速度计，可以给出载体的六自由度运动姿态以及真北方位角，内置有自适应升沉预测滤波器，在任何情况下均能实时提供精确可靠的运动姿态数据，技术规格如表2。
表2. OCTANS技术规格
项目 |
Octans |
航向 |
精度 ± 0.1˚，重复精度 ± 0.025˚，分辨率0.01˚；稳定时间 < 5分钟，对船速/纬度要求无限制 |
纵摇/横摇 |
动态精度0.01˚，量程无限制 |
升沉/横移/纵荡 |
对升沉周期要求0.03~1000 s |
环境条件 |
MTBF 30,000小时、工作温度−40℃~+60℃、存储温度−40℃~+80℃ |
2.3. 多波束测深系统的安装与调试
多波束系统的水下换能器必须无遮挡安装，换能器前方的水体中不应有气泡产生[7]。本次测深仪换能器安装在距离船首2/5船长位置，GNSS天线安装在测深仪换能器的正上方，其他辅助设备(姿态传感器Octans、PPS时间等)在船体安装，并实时量取各设备的相对位置(如图2)。
图2. 多波束测深系统安装示意图
安装校正工作需要在两种不同的水底地形上进行特定的测量，进行横摇、纵摇、艏摇等系统参数的校正[8]，校正原理(如表3)。
表3. 多波束测深系统的安装校正
序号 |
项目 |
地形要求 |
校正要求 |
1 |
横摇(roll) |
平坦地形 |
同1条测线，同速往返 |
2 |
纵摇(pitch) |
斜坡或有突出目标等的特征地形 |
同1条测线，同速往返 |
3 |
艏摇(yaw) |
斜坡或有突出目标等的特征地形 |
平行2条测线，同速往返，条带有重叠 |
3. 实例分析
3.1. 测区概况
本文选取具有代表性的长江河口段某大型码头进行分析研究，码头前沿往江心方向约15 m处有高差约40 m陡坡，坡度角约为26˚。该码头处水域近年来局部深槽冲刷加剧[9]，码头存在较大安全隐患。为了缓解水流对码头前沿的冲刷，企业在码头前沿进行抛石保护，现利用多波束测深系统对其抛石后码头前沿水下地形进行监测。
3.2. 多波束测深系统数据采集与后处理
作业中使用多波束测深系统对该码头区域进行UHD全覆盖扫测，测线重叠率30%，使用QINSY软件采集水深、定位、姿态数据、声速剖面等数据。数据采集完成后，导出到Caris软件中进行处理，进行多波束原始数据编辑、分析、滤波、数据融合，生成水底地形曲面图[10]等，得到完整的水深分布数据，最后将数据导入绘图软件生成地形图及断面图。
3.3. 测量误差来源与解决方法
多波束测深系统不能通过传统的平差方法来提高精度，因为是在不断运动的测船上进行，对于水下某一特定点而言，无法进行重复观测。另一方面，测量系统中的每一种传感器(定位、深度、起伏、纵横摇、航向、海底特征要素、水声参数、潮汐换算等)和数据换算模型均具有各自的误差特性[11]。误差统计如表4。要提高多波束测深系统的精度，就必须对各种因素进行分析，合理地利用数据处理模型对水深观测数据进行改正。
表4. 多波束测深系统主要误差源统计表
误差种类 |
误差因子 |
实时误差 |
声速测量误差、姿态测量误差、GNSS测量误差等 |
非实时误差 |
安装误差、时间同步误差、数据融合及条带拼接误差等 |
测量过程中，通过声速表面仪实时测量表面声速，结合测区声速剖面数据进行改正，来有效减弱声速测量误差，采用高精度的姿态仪来减弱姿态测量误差，根据GNSS RTK技术定位来改正定位误差，基于全站仪精确测量各子系统的相对位置并利用姿态改正校准各子系统的安装误差，采取时间同步技术对子系统进行时间统一，通过保证条带重叠率、采用先进的数据处理软件(CARIS)等措施来有效减弱数据融合及条带拼接误差等。
3.4. 监测分析
3.4.1. 水深精度分析
测量及后处理中采用了测量时间同步、安装校准、声速剖面改正、数据融合、面滤波和人工干预等手段剔除假信号，恢复、保留河床真实信息，这些处理方法可以有效地削弱各类误差，提升数据精确度。
作业中同步采用多波束测深系统与传统单波束测量模式进行水下地形测量，在单波束测深系统同一断面线
表5. 多波束与单波束水下高程测量互差统计表
图上平面距离小于1.0 mm (1:2000)单波束HY1601与多波束测量水下高程互差统计(单位：m) |
特征值 |
最大值 |
−0.6 |
最小值 |
0 |
中误差 |
±0.123 |
高程互差 |
Δh < ±0.1 |
±0.1 ≤ Δh < ±0.2 |
±0.2 ≤ Δh < ±0.5 |
0.5 ≤ Δh < ±1.0 |
±1.0 ≤ Δh |
统计个数 |
2677 |
2843 |
506 |
94 |
0 |
百分比 |
43.74% |
46.45% |
8.27% |
1.54% |
0 |
图3. 多波束与单波束水下高程测量互差统计图
图4. 栈桥桥段噪声点滤除后水下地形
图5. 某码头前沿水下三维视图
上，以单波束测点周边0.5 m为半径提取多波束数据作为该单波束数据的共点，进行单波束与多波束所测数据的高程对比[12]。表5和图3是两种测量方法的水下高程数据的互差统计，从统计中可以看出，大部分互差无系统性规律，说明单、多波束测深两者之间无系统误差。占样本比例90.19%的同点位高程互差均小于±0.2 m，其他同点位高程互差中最大值为0.6 m，且中误差为±0.123 m，满足相关规范要求。
3.4.2. 三维视图分析
通过多波束对该码头前沿水下地形进行扫测能完整且密集地获取了码头前沿水下地形和栈桥数据，解决了单波束测深系统无法采集码头边缘及停泊船只周围的水下地形数据的问题，大大提高了工作效率和整体精度。形成的码头栈桥桥墩水下地形(图4)、码头前沿水下地形三维视图(图5)，可以看出码头前沿为陡坎，码头前沿栈桥河底周围围绕的垄状抛石带比较明显。
3.4.3. 地形图分析
图6是该头前沿河道两个测次的地形变化趋势图，图中红线为2023年3月等高线(计曲线)，黑线是2022年
图6. 等高线变化图
10月等高线(计曲线)，可见码头前沿计曲线在向岸边偏移，中间−60 m等高线面积扩大。
3.4.4. 断面分析
在码头关键位置设置1:500加密断面1个，典型位置设置1:2000固定断面3个，进行横断面对比监测，布置如下图(图7)。现对2022年10月和2023年3月两个测次监测数据进行分析，图7是两次加密断面测量的对比分析图，表6是两次固定断面边坡比对比分析表。
图7. 加密断面对比图
表6. 固定断面边坡比表
断面 |
2023年3月 |
2022年10月 |
比较起点距/m |
边坡 |
高程/m |
边坡 |
高程/m |
TC01 |
1:2.013 |
−24.28 |
1:2.035 |
−23.86 |
450 |
TC02 |
1:1.761 |
−20.82 |
1:2.055 |
−20.17 |
445.8 |
TC03 |
1:1.406 |
−28.60 |
1:1.587 |
−27.53 |
481.7 |
图8. 某码头冲淤厚度图
2022年10月至2023年3月加密监测断面图表明：该码头前沿区域无平坦河床，码头外侧即为陡坎斜坡，斜坡整体变深；水下陡坎外侧河床(起点距520~850 m)有轻微淤积现象。
2022年10月至2023年3月3个固定断面边坡比进行计算表明：TC01、TC02、TC03码头前沿岸坡均有轻微冲深、陡坎变陡的现象。
3.4.5. 冲淤情况分析
利用多波束系统采集2022年汛后、2023年汛前水下地形数据，对两期水下数据叠加后进行了冲淤计算分析，图8为冲淤厚度图(绿色代表冲刷，红色代表淤积)。从图8中可看出，从2022年汛后到2023年汛前，该码头前沿水下地形近岸除去抛石部分人为淤积、近岸其他地方有不同程度冲刷；近岸以外河床整体呈淤积趋势，但淤积都不大。不同程度的淤积和冲刷情况对码头的正常运营会产生一些安全隐患，应持续加强监测。
4. 结语
利用多波束水深测量技术，观测长江口大型码头的水下地形，并进行了与单波束测深的同步对比、水下抛石前后两次多波束水下地形测量对比，得出该码头前沿近岸岸坡整体呈冲刷态势，码头前沿以外河床呈淤积态势的结果。从整个测绘作业过程中可以看出：多波束系统在码头区域水下地形数据获取的便捷性与时效性上略优于单波束，且由于其测点密度远大于单波束，最终地形图整体精度也优于单波束，测绘成果能为码头安全管理提供数据支撑。
由此可见，多波束测深技术可实现码头前沿区域水下地形的测量全覆盖，能更全面、高效、准确地反映码头前沿水下的实际情况，为码头安全运营提供科学保障。
基金项目
国家重点研发计划：长江中游生态优先的水文连通优化硬控及在典型区域的示范应用(2022YFC3201804)。
NOTES
作者简介：何庐山(1989.02-)，湖北潜江人，大学本科毕业于河海大学测绘工程系，工程师，主要从事河道勘测工作，Email: 490016213@qq.com