下载文档原格式
多波束的校准方法及其成果分析探讨发布时间：2023-02-20T06:00:53.564Z 来源：《建筑实践》2022年10月19期作者：李烁[导读] 随着卫星技术的不断发展，遥感图像的获取越来越普遍李烁天津市陆海测绘有限公司摘要：随着卫星技术的不断发展，遥感图像的获取越来越普遍，尤其是在低轨卫星对地观测领域。
遥感图像的分辨率要求越来越高，对遥感图像的处理也提出了更高的要求。
多波束由于能够同时对同一区域不同波段进行成像，在很多场合下可以发挥重要作用。
因此，为了提高多波束的观测质量，需要定期对多波束数据进行校正。
为了保证校正结果能够符合实际情况和预期要求，必须建立合理的校正方法。
本文将对多波束的校准方法及校准成果进行探讨。
关键词：多波束；校准方法；成果分析前言为了提高多波束测量精度和效率,在实际应用中需要对其进行合理优化设计。
首先,要选择合适的测区模型,并且还要保证所选用的测区模型具有较高的准确性;然后,要根据不同的测区特点来确定相应的数据处理方式,这样才能够使得数据采集工作更加高效地开展起来。
该方式具有较高的准确性和可靠性,并且还具备了一定的灵活性,因此在实际应用中能够得到广泛应用。
但是由于其自身存在着一些不足之处,所以需要相关人员不断改进与完善。
1 多波束校正参数概述1.1横摇偏差纵摇偏差艏向偏差简介它有别于常规的单波束点和线状测量，它是一种平面测量。
多波束式传感器由于其自身的主观因素，无法实现全水平定位，造成其与实际水平面存在倾斜度，我们习惯把换能器与船只水平面纵向的夹角称为纵摇偏差（pitch），换能器与船只水平面垂直方向的夹角为横摇偏差（roll）。
在实际测量中，由于船只的运动会导致换能器与水平面也产生一个夹角，所以对应某一时刻t，换能器的横摇角roll(t)、纵摇角pitch(t)都由两部分组成：roll(t)=roll(静)+roll（动）pitch(t)=pitch(静)+pitch（动）即roll(t)、pitch(t)都包含一个动态分量和一个静态分量。
第 2 期2023年 4 月NO.2Apr .2023水利信息化Water Resources Informatization0 引言2022 年，水利部印发《关于强化流域治理管理的指导意见》和《2022 年河湖管理工作要点》，明确要求从河流整体性和流域系统性出发，严格河湖水域岸线空间管控和河道采砂管理，纵深推进河湖“清四乱”常态化、规范化，建设健康美丽幸福河湖[1]。
淮河水利委员会结合流域实情和工作实际，在淮河流域《“十四五”时期复苏河湖生态环境实施方案》中也明确提出统筹淮河流域水资源与水域岸线空间，重点抓好河湖生态保护治理等 7 个方面 27 项任务的 2025 年目标，努力打造让流域人民满意的幸福河湖。
新形势下，在淮河流域大力推进数字孪生流域建设，强化数字赋能，提升监管水平的背景下，应实现对淮河干流及重点河段、敏感水域的实时监控，提升河湖监管信息化水平。
在采砂监管、航道疏浚、河道施工、应急救援等方面，水上区域可通过遥感影像、无人机、智能视频等信息技术进行监管，但水下地形测量一直是薄弱环节，对水下实景还原和河床准确数据获取还缺少必要的技术支撑。
国内多波束测深系统研究方面，最早采用的是传统的模拟波束形成技术，进入 21 世纪后，开展了多波束测深技术的研发，研制了便携式高分辨率多波束测深系统，在水下地形地貌探测理论和设备研制方面取得了重要进展。
特别是近 10 a 来，随着高性能计算机数据处理、水声学声呐探测、组合惯导、传感器等技术的高度集成和应用发展，国内多波束测深技术取得了突破性的进展[2]，但在精度和稳定性方面与国外技术有一定距离，国内水利行业集成多波束设备还是引进国外先进产品居多[3]。
为此，研究搭载多波束及侧扫声呐的无人船在淮河流域水下测量方面的应用情况，并绘出河道横断面图和水下三维地形图，为淮河流域的河湖管理和生态保护提供科学、准确、可靠的原始数据。
1 多波束技术1.1 多波束测深原理多波束测深系统采用安装于船底或拖体上的声基阵向河底发射超宽声波束，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束传输，形成对河床地形的照射脚印，并对这些脚印进行科学处理，精确测出河道一定区域内水下地形的形状和起伏变化，从而描绘出河床高精度地形图[4]。
海底地震勘探中多波束测深技术的研究及应用随着社会发展和国家对海洋资源的重视，海洋地质勘探受到了前所未有的重视。
其中，海底地震勘探作为开展海洋地质勘探的首要步骤之一，其精度和效率成为了勘探成败的核心因素之一。
而多波束测深技术因为其高精度、高效率、多参数的优势，成为了海底地震勘探中的重要技术手段。
一、多波束测深技术概述多波束测深技术是利用成象声纳设备在海底中进行精确深度测量的技术，采用的是多余一个水平波束的声纳进行水深测量。
该技术可在短时间内快速采集大量海底数据，实现对海底的快速成像和高精度的水深测量。
二、多波束测深技术的应用多波束测深技术是目前海底地震勘探中最为常用的一种技术手段。
它可以在高精度的海底地形成像和水深测量的基础上，提供多种海底地质信息，包括海底地貌、沉积物分布、海底构造等。
多波束测深技术已广泛应用于大洋、海湾、沿海、内陆水域等各种水深测量工作中，并取得了广泛的应用和推广。
三、多波束测深技术的发展多波束测深技术中国始于上世纪90年代初，经过20多年的发展和完善，现已能满足目前大部分海底地震勘探的需求。
当前多波束测深技术正向着高精度、高效率、多参数等方向发展，成为海底地震勘探中必不可少的一种技术手段。
四、多波束测深技术存在的问题和解决方案多波束测深技术在海底地震勘探中虽然取得了一定的成效，但与国际先进水平相比，还存在一些问题，如航线设计不够科学、海底地形获取精度不够等。
为了解决这些问题，需要加强土壤和地形的探测精度，改进航线设计方法，增加测量数据质量等。
五、总结多波束测深技术是当前海底地震勘探中最为常用的一种技术手段，它的高精度、高效率、多参数等优点，为海底地球物理探测、资源勘探、海洋环境监测等方面的工作提供了强有力的技术支持。
在未来的发展中，多波束测深技术将继续发挥重要作用，并有望实现更高的精度和效率，为海洋开发和保护做出更大的贡献。
试论浅水多波束技术在水下地形测量中的应用摘要：随着科学技术的不断发展和进步，一种高分辨率、高效率、高精度的多波束水底地形测量技术衍生出来，并且得到了广泛的推广和应用。
通过对水下地形的测量，能够进行现场勘测、数据分析处理以及对淤泥量进行分析和计算，进而能够模拟出被测水域下的三维地形图，为水库的相关管理提供有力的技术支持和理论依据。
关键词：多波束技术；水下地形测量；应用在对水下进行进行测量时，不能对水底点位的数据进行直接获取，那么就需要在船上设置相应的水下测量系统，并与卫星定位统有机结合，进而形成一个三维坐标。
在对水下地形都进行测量时，应用较为普遍的就是多波束测深体系，并且有其自身的特点和优势，能够与实际的工作需求相适应，使得项目测深的要求得到满足。
1、多波束技术的优点对我国水下地形进行测量的方法主要有经纬仪法、竹竿和铅锤法，由于科学技术的不断发展和进步，逐渐的淘汰了经纬仪法、竹竿和铅锤法，在20世纪70年代之后，多波束测深体系被研发出来。
多波束测深体系有着较大的测量范围，而且精度高、速度快，并且打破了原来只能进行点线状的测深，不断扩展到了面状的测深，随着科学技术的不断发展和进步，又发展到了立体测图，这也是水底地形测量技术的一个质的飞跃【1】。
当前，由于多波束测深技术有着较高的分辨率、较高的精确度以及高效率等优势，在我国海洋地貌、河湖水底地形探查当中得到了广泛的推广和应用。
2、多波束技术的测深原理多波束测深体系的工作原理是，在实际测深的过程当中，要依托专业测量船上安装的换能器的基阵之上向着与船行驶的垂直方向水体底部发射出一个扇形的声波束，然后还能对它的反向散射信号进行接收，对其信号进行加工和处理，进而获取声波束所覆盖所有采样点的水深数据信息。
通常情况下，多束的开角是60°-150°之间，船行驶的方向开角大概是0.5°-5°之间，在接收到了水底部回拨信号之后，经过了延时或是相对移动后，把二者相加求出总和，会得出十几个甚至上百个相邻的波束，扇形的声波束可以对渔船行驶轨迹垂直扇形面内的多个水平数据进行同时获取，然后根据船的不断行驶来把数据信息进行叠加，只需要测量一次就可以对测线范围内的多个水平数据进行获取，把所得到的水深数据信息和相应的GPS定位体系进行结合，进而得到每一个测深点的确切经纬度坐标【2】。
浅述多波束测深系统水下地形测量中质量控制措施与质量分析◎ 王文胜 福建省港航勘察科技有限公司摘 要：文章针对多波束测深系统在水下地形测量中影响测量精度的因素、质量控制措施和成果数据精度评估进行了讨论。
笔者介绍了多波束测深系统的原理和应用，从质量控制措施和成果质量分析两个方面进行了详细阐述，提出了外业数据采集阶段和内业数据后处理阶段一些控制措施的方法。
在成果质量分析方面，介绍了比较分析方法对多波束系统的精度评估方法。
文章最后总结了多波束测深系统的测量精度是水下地形测量中的关键问题，通过合理的措施可以提高测量结果的准确性和可靠性，同时呼吁进一步研究和改进多波束系统，以满足不同精度要求的水下地形测量需求。
关键词：多波束测深系统；影响测量精度的因素；质量控制措施；成果质量分析水下地形测量是海洋科学和海洋工程中的重要研究内容，而测量精度控制与精度评估是水下地形测量中的关键问题。
在水下地形测量中，多波束测深系统作为一种广泛用于水下地形测量的技术，具有高效、高精度的特点，在测量过程中，能实现水深的完全覆盖，在呈现水下地貌方面能做到更准确、更生动[1]。
多波束测深系统通过同时发送多个声波束并接收反射波，能够获得多个测深值，提高测量的效率和精度。
因此，对多波束测深系统的质量控制和精度评估具有重要意义。
1.多波束测深系统的工作原理多波束测深系统是基于声学原理进行水下地形测量的技术。
它利用多个声纳传感器发射扇形波束，并接收水底反射回波信号，通过对信号的处理和计算，可以准确地获取水下地形的信息[2]。
多波束测深系统的工作原理如下：1）多声波束发射：系统中的多个声纳传感器同时发射多个声波束。
每个声波束的发射方向和角度可以根据测量需求进行调整。
2）声波传播和反射：发射的声波束在水中传播，当遇到水下地形时，一部分声波会被地形表面反射，形成回波信号。
3）回波信号接收：多个声纳传感器接收到反射的回波信号，并将其转化为电信号。
4）信号处理：接收到的回波信号经过放大、滤波、时域和频域处理等，以提取出与水下地形相关的信息。
多波束水下地形测量技术规程
多波束水下地形测量技术是一种先进的水下地形测量方法，它利用多波束声纳系统来获取水下地形的高精度数据。
这项技术在海洋科学、海洋工程、地质勘探和资源调查等领域有着广泛的应用。
首先，多波束水下地形测量技术的规程包括了设备准备和校准的步骤。
在进行测量之前，需要对多波束声纳系统进行严格的校准和测试，以确保其能够准确地获取水下地形数据。
其次，规程还涉及到测量航线的规划和设计。
测量航线的规划需要考虑到测量区域的地形特点、水深、测量精度要求等因素，以确保获取到高质量的水下地形数据。
此外，规程还包括了数据采集和处理的步骤。
在实际测量过程中，需要对声纳系统进行数据采集，并对采集到的数据进行处理和分析，以生成最终的水下地形图。
另外，规程还会涉及到数据质量控制和验证的要求。
在数据处理完成后，需要对数据质量进行验证和控制，以确保测量结果的准确性和可靠性。
最后，规程还包括了数据报告和成果提交的要求。
在完成水下地形测量任务后，需要编制测量报告，并将测量成果提交给相关部门或客户。
总的来说，多波束水下地形测量技术规程涵盖了设备准备、测量航线规划、数据采集和处理、数据质量控制和报告提交等多个方面，以确保水下地形测量工作能够按照统一的标准和流程进行，并获得高质量的测量成果。
2008年大坝安全监测设计与施工技术交流会论文集119
关于多波束水下坝面平整度检测方法的研究
王瀛勇张宁燕樟林（华东勘测设计研究院，浙江杭州 310014）摘要：根据目前国家对一些运行时间较长、年代久远的水电站和水库大坝进行防渗补强，需对水下坝面平整度进行检测的现状，针对性地提出了采用多波束水下坝面平整度检测方法，并在实践中加以探索性研究，为解决工程实践中的问题提供了切实可行的方法。
同时，对野外采集的“点云”数据进行分析和处理，并在Microstation 环境下进行构TIN 和三维模拟，形象直观地再现了水下坝面的实际情况，为大坝防渗补强施工提供了技术支持，取得了较好的效果，具有较好的推广和应用价值。
关键词：多波束；水下坝面平整度检测；“点云”数据处理；构TIN 和三维模拟
1概述东北某水电站位于吉林省吉林市第二松花江中游，坝址距下游的吉林市24km。
电站始建于1937 年，1943 年第一台机组发电；1948 年和1949 年进行恢复工作；1951～1953 年进行了扩建和改建；1953 年全部建成。
大坝为混凝土重力坝，坝顶长1080m，最大坝高91.7m，坝顶高程为267.7m，总装机容量为1004MW。
由于建坝时的施工技术水平差，施工质量低劣，大坝建成以来存在着坝体混凝土强度偏低、渗漏、扬压力偏高、溶蚀及冻胀等问题，需进行全面加固处理，治理措施包括大坝防渗处理、大坝整体性加固处理、新增泄洪设施、坝体排水、大坝外包混凝土、开关站搬迁等。
为了能对大坝上游水下坝面进行土工膜防渗处理必须了解上游水下坝面平整度情况，本次试验使用具有国际先进水平的美国RESON SeaBat8125 多波束测深系统和GPS RTK技术对水下坝面进行数据采集，并在此基础上对大坝上游水下坝面平整度检测方法进行了探索和研究，同时对所采集的数据进行处理、在Microstation 环境下进行构TIN 和三维模拟。
2波束水下坝面平整度检测方法的研究
2.1大坝上游水下坝面进行土工膜防渗处理对坝面平整度的要求为了保证水下采集数据能满足进行土工膜防渗处理的要求，按20～25 点/m2 点位采集密度，高程中误差限差小于±0.2m 的测量精度，在外业采集大量的具有三维坐标值X、Y、Z 的大坝上游水下坝面点。
然后应用AUTO CAD 和Microstation软件进行数据分析，对水下坝面的平整度情况进行全面地分析和模拟并得出相关的成果及结
论。
对于这样的特种要求，采用目前常规的水下测量方法是无法实现的。
为此，我们需要探索和研究采用多波束水下高精度坝面平整度检测方法的可行性。
2.2多波束大坝上游水下坝面平整度检测数据采集2.2.1SeaBat8125多波束测深系统的工作原理SeaBat8125 多波束测深系统的工作原理是利用水下声纳单元发射和接收脉冲声波，声波被河床或2008年大坝安全监测设计与施工技术交流会论文集120水中物体反射，部分被探头接收，由声波在水中的传播时间与声速的乘积即可计算出水深，SeaBat8125有多达240 个相互独立的换能器组成，每次可同时采集240 个水深信号，这240 个换能器呈1200 扇形夹角，每个波束角在扇形面上为0.5 度，在纵向上为1 度（测船航向）并且以每秒1～40 次(根据水深自动调整速率)的更新速率采集数据。
这样，它对水下地形测量是以一种全覆盖的方式进行，它测量的水下地形是一个面，其工作原理见下图：(图1)图1RESON SeaBat8125 超高分辨率聚焦多波束测深系统的组成见下图：图2系统运转时，采用DGPS 实时动态（RTK）技术测定安装在船上的GPS 天线的平面位置；GYRO（电罗经）实时动态测定船艏与真北方向的夹角；按专用声速剖面仪提供的水体声速，81-P 处理器可计算出同步声纳点的水深；主控计算机即可计算出水底各测点的X、Y、Z 坐标。
2.2.2外业数据实时采集系统该系统由计算机及RESON 6042v7.1 多波束数据采集和实时处理/可视化软件包组合而成，软件包是基于windows 操作环境的水下地形外业测量软件包，具有多种功能，是目前国际上最为完善的水下测量软件包，该软件主要包括如下功能：与各种外围设备的连接(各种不同型号的声纳系统、罗经、姿态传感器、定位GPS 等)，组成一个功能强大的测量系统，完成测线的设计，包括椭球参数的基面转换，采集存储各种测量数据，记录测量设备的工作状态，进行相关数据的处理及改正，提供各种导航信息，以多种方式实时显示设备工作状态及测量数据。
2008年大坝安全监测设计与施工技术交流会论文集121图3 图42007 年10 月21 日，使用多波束和GPS 系统对上游水下坝面进行了扫测数据采集工作，进入SeaBat8125 多波束测量系统外业数据采集界面，分别打开各项数据显示窗口，在测量过程中，监视各外围设备的工作状况、数据信号质量以及相关的测量信息，及时调整测船航向，控制声纳接收信号的各项参数。
实际测量中，在测区根据计划测线，及测点的密度要求，测船按照设计的二条测线，每条重复扫测了三次，共计六条。
扫测范围为水面
5m 以下（高程约250m）到坝底，坝面外侧采集宽度约80m。
2.2.3数据后处理软件包Trimble 的 Terramodel v10.13 二维及三维后处理软件包，可以处理大量的测量数据，特别是多波束测量数据，实现数据的清理、剔除错误，并根据给定参数进行原始数据的改正，然后对数据进行计算、描述和制图。
3大坝上游水下坝面平整度检测数据处理
3.1大坝上游水下坝面平整度数据分析对于大坝上游水下坝面扫测的大量数据“点云”，在数据处理过程中，采用AutoCAD 和MicroStation环境下按施测要求进行数据处理并进行三维模拟再现。
因为坝面的角度比较陡直，并且在坝面的斜面上有向坝体方向的凹进，因此对坝面上的“点云”进行了坐标轴的转换，以大坝上游面为投影面，沿坝体（长）方向为X 轴，按右手法则确定Y 轴；Z 轴垂直于坝面。
这样在制图软件里生成“点云”文件，这些“点云”在制图软件里以正确的方式构网和构TIN，再通过对模型的观测判断在坝面上有没有明显地凹凸，如果有则对该处的数据进行量测。
本次多波束测量的数据______量特别大，在制图软件里处理需要分段分批进行，同时也使用了ArcGIS 的桌面软件，利用它针对海量数据的强大功能，对坝面的“点云”数据进行分析处理。
在观测到起伏较大的位置绘制直线，沿此直线截取模型的剖面图，通过剖面数据的判读，判断该位置的起伏有没有超过20cm。
图53．
2.大坝上游水下坝面平整度专题图制作和三维模拟(2008年大坝安全监测设计与施工技术交流会论文集122图6通过对采集数据的多重处理后形成AUTOCAD 环境下如图(6)所示的大坝上游水下坝面平整度专题图。
另外，对采集数据进行筛选过滤后，在MicroStation GeoPAK 环境下进行构TIN，形成全坝面和局部坝体DEM（数字高程模型），如图（7）所示。
根据三维模型再现，基本上向我们现在的防渗处理技术人员展示了日本技术人员当时在上世纪30年代建造的水下坝体全貌以及栈桥施工技术，弥补了因年代久远技术图档不全给大坝补强带来的困难。
4 采用多波束水下坝面平整度检测精度和可行性分析为了确保多波束水下坝面平整度检测的数据精度和可靠性，我们采用了以下方法：⑴多次扫描数据相互比较，进行粗差剃除；⑵钻孔实测数据、单波束实测数据检核；⑶与原有设计图纸比较；通过多次试验和数据反复比较，加上原有图纸的检验，实践证明采用多波
束水下坝面平整度检测方法是可行的，并且能达到和满足土工膜防渗处理对坝面平整度的精度要求。
本次试验对电站水下坝段的坝面及坝上游栈桥进行扫测，通过对外业扫测数据回放的240 个波束图72008年大坝安全监测设计与施工技术交流会论文集123上游面体型，均没有发现上游水下坝面不平整度超过±0.2m 的部位。
参考文献:[1]《ARC/INFO 应用与开发技术》樊红、詹小国编著武汉大学出版社[2]《地理信息系统-原理、方法和应用》邬伦刘瑜张晶马修军韦中亚田原编著科学出版社[3]《GIS 空间数据误差分析和处理》黄幼才刘文宝李宗华肖道纲编著中国地质大学出版社[4]《多波束勘测原理技术与方法》李家彪等著海洋出版社[5]《MicroStation V8 中文版实用手册》中京工程设计软件技术有限公司编著条带呈像显示观察，以及经过二维、三维编辑后的三维视图和数据处理的分析检验，对照水下各坝段坝。
