多波束系统在天津港航道疏浚验收中的应用

2022-09-12

随着国家经济建设的加速, 港口建设迅猛发展, 港口航道疏浚工程也成为港口发展中的一个重要部分, 因为航道是港口的咽喉, 因此对航道疏浚的验收测量非常重要。如何客观、真实的了解航道疏浚情况, 掌握航道的水下现势地貌等, 便是摆在每个测量工作者面前的技术关键。多波束系统的应用, 改变了传统测量手段的效率低、质量差等不足, 以其高精度、全覆盖、高效率等优势, 为疏浚工程验收提供了高效可靠的服务。

1 系统应用

本院自2003年引入8125多波束系统以后, 立即着手组织技术力量对该系统进行学习研究, 了解系统原理及操作, 并前往舟山等单位进行学习交流, 迅速组建一支多波束技术队伍。在2004年天津港十五万吨级航道竣工验收项目中, 我院测量人员采用多波束系统对本项目进行检测, 在单波束检测满足设计要求区域, 多波束测量友发现部分漏测浅点, 我方将检测结果及浅点范围提供建设方和施工方, 并经施工方确认该浅点确实存在。多波束的全覆盖、高精度优势保证了本项目的合格验收并达到零浅点。随着天津港的建设发展, 天津港主航道也由几年前的十五万吨级发展建设到二十万吨级、二十五万吨级, 我院也以公正、优质的服务一直作为第三方对天津港的航道疏浚工程进行验收检测。多波束系统的应用, 保证了航道疏浚验收测量的高质量和高精度, 为航道合格竣工及安全通航提供了保障。

2 系统作业过程

2.1 设备安装

将多波束换能器固定在船舷稳定部位, 并远离机器等噪音源, 换能器要超过船底, 安装杆不能太细, 要在尽量靠近水面的位置设置固定点。Octans要尽量放在船的重心位置, 以减少仪器补偿中的误差。如无法装在重心位置也要尽量与中轴线平行, 因为罗经提供按自己方位确定的方向角, 如果罗经和船的方位不一致, 则罗经给出的方向角不能代表船的航向角。Octans同时能够同时输出方位和运动姿态数据, 主要包括横摇roll, 纵摇pitch, 方位Yaw以及Heave。DGPS要安装在固定且没有遮挡物的位置, 保证能够更好的接收定位信息。设备安装后, 要定义船体坐标系, 定义坐标系的参考点VRP, 最好将VRP定义在船体的重心, 并测量GPS天线、8125换能器、光纤罗经、水线相对于参考点VRP的坐标位置, 测量各项设备相对于船的重心位置的偏离值, 并输入保存在项目设置文件中。

2.2 仪器校准

由于在换能器安装时无法保证其方位, 故换能器实际方位与O C T A N S测量值存在一定偏差, 在数据后处理及位置归算时需要将此偏差进行改正。一般仪器校准主要包括:GPS延迟误差的校准 (Latency) 、横摇安装误差的校准 (Roll) 、纵摇安装误差的校准 (Pitch) 以及船艏向安装误差的校准 (Yaw) [2]。

2.2.1 GPS延迟误差的校准 (Latency)

GPS延迟误差是由于GPS导航定位设备在采集计算定位信息后并传输到数据采集计算机, 与6042多波束数据采集处理系统所记录的水深信息不是同一时刻数据。GPS延迟误差会导致测点沿航迹方向发生位移, 并与船速直接相关, 船速大则影响较大。校准的方法是选择一个航道陡坡, 以慢速和快速沿沿同一测线同一方向航行测量几次, 船速快慢要控制在两倍左右, 最终选择重合比较理想的二条测线计算时延 (这种同方向测量可以避免纵摇角度误差的影响) 。

2.2.2 横摇安装误差的校准 (Roll)

横摇安装误差是指多波束系统的换能器在安装过程中可能存在的横向角度的误差, 即沿船体坐标系的Y轴发生一定角度的旋转所引起的误差。当换能器横向安装角度与设计角存在偏差时, 测量的海底地形将严重的扭曲。对于多波束系统来说, 横摇误差将会带来水深测量值误差, 它将随着离开中央波束的夹角的增大和水深的增大而增大, 即边缘波束测量的误差将会大于中央波束, 水深越深误差越大。横摇夹角造成实际测量时海底发生倾斜变形。校正横摇误差时, 要选择一平坦而开阔的海域, 沿同一直线往返测量几次, 选择数据质量及重合情况较好的两次数据进行横摇安装误差的校准。

2.2.3 纵摇安装误差的校准 (Pitch)

纵摇安装误差是由于换能器安装时可能存在纵向角度的误差, 即换能器沿船体坐标系的X轴旋转一定角度所引起的误差。纵摇误差会导致水深偏大并会产生测量点的前 (后) 位移, 这种位移误差体现在航行方向的位置偏差, 水深越深位置偏移越大。校准时利用延时测试的相同测线, 测量船以正常速度在同一条测线往返方向进行测量, 选择数据重叠好的两次数据进行纵摇安装误差的校准。

2.2.4 船艏向安装误差的校准 (Yaw)

船艏向安装误差是由于换能器安装时可能存在艏向角度的误差, 即换能器沿船体坐标系的Z轴旋转一定角度所引起的误差。艏向误差表现在水平面上由于角度的偏移引起平面上相应水深点坐标位置的偏移。对中央波束不会带来影响, 但对其他波束的定位会带来误差, 定位偏移误差的大小随着深度的增大而增大, 相当于240个整体波束以中央波束为轴发生旋转。校准时选择陡坡水域布设二条平行穿越陡坡的测线, 测线间距约为水深的2倍, 测船以正常速度沿2条测线以同方向进行测量, 选择两次数据质量好的数据进行船艏向安装误差的校准。

2.3 数据采集

在多波束系统的校准工作完成后, 边可以进入测量区域开展测量工作, 工作前要用声速剖面仪采集测区的声速剖面数据, 并导入到6042多波束数据采集处理系统, 调试81-P系统参数, 调节换能器功率及增益等, 保证系统数据质量良好。根据水深情况合理布设测线, 要充分考虑两相邻测线数据的重叠, 要保证重叠区域控制在20%左右。生成格网文件, 并设置水深颜色, 测量时根据色带覆盖情况实时调整测船航行间距, 发现有漏测区域及时补测, 并对测量过程中的时间、文件、特殊问题的信息作详细记录。

2.4 内业处理

测量数据内业后处理主要包括: (1) 数据分析:采用数据处理系统配置的滤波器对数据进行滤波分析。 (2) 数据回放:将潮位等改正信息重新输入并回放, 生成可编辑文件。 (3) 数据编辑:剔出跳点、孤立点和边缘波束数据。 (4) 网格化处理:即对高密度的测量数据采用网格插值法进行合理压缩处理, 以使其能够满足绘图及使用需要。 (5) 数据格式转换:将处理过的测量数据转换为能够满足绘图需要的格式。 (6) 绘制竣工图:将成果数据展绘成图并加套格网、范围线、岸线、航道线等, 按规定的图面格式绘制竣工成果图。