科普 | 多波束测深技术--水下三维空间数据测量原理、优势、成果类型及应用！

水深测量是水下地形测量的基本方法，通过测量水底各点空间三维坐标，可以让数据使用者对水下进行犹如陆上空间一般的研究、设计、施工等工作。随着技术的发展，水深测量的技术手段有测深杆、水铊、单波束测深仪、多波束测深仪等。在海道测量、水运工程测量、施工测量等普遍涉及水深测量的领域，单波束测深仪和多波束测深仪变的尤为普遍，多波束相较单波束有着众多优势以及应用领域和方向，因此在水深测量领域，不管是技术层面还是行业发展趋势方面，多波束测深技术对单波束测深技术的取代已成大势所趋之势。

     以下，对单波束和多波束进行系统的对比，并介绍多波束的优势和应用。

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测量原理

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单波束测量原理

单波束测深仪的测量过程是采用换能器垂直向下发射声波，当声波遇到水底时发生反射，反射回波信号返回换能器位置并被其接收。其水深值由声波在水中传播的双程时间和水中的平均声速确定：

H=C*T/2

上述公式，H为水深，C为平均声速，T为声波传播过程中的双程时间。

# 单波束系统的组成

单波束测深仪的组成相对比较简单，主要由以下几部分软硬件组成：（1）单波束测深仪；（2）GNSS定位系统；

（3）控制、采集软件和处理软件；

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多波束测量原理

多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，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，比较可靠地描绘出海底地形的三维特征。与现场采集的导航定位及姿态数据相结合，绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。

# 多波束测深系统的组成

多波束的技术要求也注定多波束测深系统是一组包含多种辅助传感器的测量系统，其主要由以下的软硬件产品组成：（1）多波束测深仪；（2）GNSS定位系统；（3）表面声速仪；（4）声速剖面仪；（5）姿态仪；（6）罗经；（7）潮位仪；（8）显控软件（声呐工作控制软件）；（9）导航采集软件（记录声呐和辅助传感器数据）；（10）后处理软件；（11）供电，采集计算机等其它工具；

以海卓MS8200多波束测深系统为例，其典型的系统组成示意图如下：

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多波束的优势

多波束技术的出现，给水下测量工作带来了极大的突破，与传统的水深测量相比，多波束有以下几个比较明显的优势：（1）精度高    相较于单波束测深系统，多波束测深系统具备更丰富完善的传感器，在声速仪、姿态仪、潮位仪等高精度传感器的配合下可以测得更精确的水底坐标信息。如下图为单波束在风浪摇摆下测量误差变大，而多波束则不受此影响。

其次，单波束波束角大约为6-8度，而多波束则在0.5-2度之间，如北京海卓同创的MS8200波束角为1度，相较单波束相比，多波束的波束角越小，其返回的水深值越接近水底真值。

从上图可以看出，多波束因其波束角更小，且测量地形的曲线也更接近于真实。

（2）分辨率高接触过水深测量的都知道，单波束是一种“由点到线”的测量方式，每次测量只能测量一个水深点，随着载体及设备的航行移动，产生由点到线的测量结果；而多波束是一种“由线到面”的测量方式，一次测量即可得到垂直于航迹方向的几百甚至上千个水深点，随着载体及设备的航行移动，产生由线到面的测量结果。

单波束无论如何加密测量，均无法和多波束的全覆盖测量相媲美。

如上图为同一水下地形由于单波束和多波束采集的水底点密度不同，造成的结果分辨率的区别，从效果图中可以看出，很多地形的细节是单波束无法反应和表达的。如下图，即便是单波束的加密测量，在分辨率上仍然达不到多波束的测量效果，仍然有大量的地形细节无法反应出来：

Pic.1单波束效果

Pic.2多波束效果

上图中，左侧为单波束数据，右侧为多波束数据，通过此效果可以看出，很多细节的丢失，在分辨率无法比及的情况下，生成的地形图的关键信息的丢失势必也造成了“成果精度”的下降。

（3）效率高

单波束由点到线的测量到多波束由线到面的测量不仅仅是分辨率的提升，更带来水下测量效率的提升，随着多波束技术的发展，目前多波束已经能够以水深的6-8倍，甚至更大的扫测覆盖宽度进行扫测了，水深10米的水域同样进行1：500的地形图扫测，单波束5米一条测线，多波束则一条测线覆盖60-80米，效率远高于单波束测深仪。作业时长大大降低，效率大大提升。

Pic.1单波束测线布设

Pic.2多波束测线布设

从上图中可以看出，同样的地形扫测，多波束测测线总长度要比单波束要少很多，带来的直接结果即为多波束的地形扫测效率要高很多。

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多波束的成果类型及应用

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成果的形式

多波束的数据成果根据使用者对成果的需求也是多种多样，常见的有以下几种：

三维曲面成果

和单波束数据成果相比，多波束的最大优势就是点密度比较大，可以实现更多地形细节和三维展示。

等深线图

作为地形测量常用的等高线图，依据不同的成图软件，多波束的数据成果可以生成二维、三维的等高线图。

注：多波束数据成果本身与单波束的数据没有区别，因此单波束能出的成果，多波束一样可以出，等高线图同样可以用第三方软件如CASS软件等成图。

tif图（支持第三方加载）

tif图作为一种含有坐标文件的成果展示形式，可以加载在卫星图、航片图、CAD图等场景下进行多数据融合展示。

断面图

作为航道测量、施工测量等水下测量用户，断面测量及成果是一种非常常见的数据成果展示形式，而多波束的优势则在于可以保证每次测量结果提取的断面位置绝对一致，而单波束测量时则很难保证位置重叠。

“淹没”分析图

对于一些水库、湖泊、河流等，常需要对地形提前进行“淹没”分析，排查风险，以及计算不同水位下的库容等。

点云

作为空间三维数据的展示，点云成果的展示也是一种常见的数据成果展现形式，点云数据具有曲面模型所不具有的特征展示等优势，在一些特殊的结构物展示时，具有很大的优势。

除了以上数据成果展示形式，水深测量的成果还有很多很多，只会局限于成图软件的限制，不受数据的限制。

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应用领域

多波束的应用方向也是遍布了江河湖库海等各个领域的各种水下场景测量。

航道测量

航道测量比较常见，对于多波束来说测量船仅需顺航道跑测线即可，避免了单波束测量断面测量法所带来的安全隐患。

抛石测量

对于国内通航的主要大航道而言，水下抛石施工测量较为普遍，对于多波束测量而言，凭借其高分辨，全覆盖的优势，可以清晰的将水下抛石情况，区域等测量的清清楚楚。

崩岸及护坡测量

对于国内长江等大流量的河流而言，由于汛期的冲刷，岸坡的冲刷和维护工程非常普遍，单波束在此复杂区域难以精确进行细节扫测，且误差较大。

航道整治工程

长江流域各个区段鉴于其地理环境的特殊性，为了航道安全往往会进行丁坝顺坝等工程整治作业。对于整治到位情况，再冲刷情况的测量和分析都是单波束望尘莫及的。

炸礁测量

对于一些石质底质的航道来说，为了增加航道的航运能力，往往需要进行炸礁作业。而哪怕出现一个石笋的遗留物，都可能对于之后的航运带来很大的安全隐患，因此很多炸礁施工也要求必须使用多波束进行全覆盖无遗漏扫测进行测量作业，全覆盖无遗漏扫测也是单波束所不具备的。

水下结构物扫测

凭借多波束的全覆盖扫测和倾斜扫测能力，很多极具难度的水下结构物均只能通过多波束进行快速水深测量，如桥墩冲刷扫测、沉船定位扫测等等，这都是常规单波束无法进行的。

疏浚测量

疏浚测量在水下测量领域较为普遍，不管是江河还是海上，都存在着大量的疏浚施工作业，多波束水深测量则可以更精准的反映疏浚的区域、细节以及疏浚量的精准计算。

水库库容计算、冲刷扫测等

对于水库，常见的水深测量应用多为库容精准扫测，消力池安全扫测、水下冲刷安全研究、大坝破损等安全性扫测等等。单波束仅仅能够进行较为粗略的库容扫测，对于冲刷、大坝等事项难以实施。

水上水下一体化测量（水下部分）

随着测量技术的发展，越来越多的行业和领域期望进行水上水下一体化测量作业，水上部分已经随着三维激光扫描和无人机航测的发展变的越来越容易，而水下部分的扫测却一直是个难点，随着多波束技术慢慢走进大家的视野，水上水下一体化扫测也变的离我们越来越近。

当然，多波束的应用还有很多很多，未来会有更多的领域能够应用到多波束技术。

扩展阅读

海卓MS8200产品及特点

海卓MS8200多波束测深仪是专门为专业海洋测绘，以及浑浊水和大水深等特殊环境专门研制的专业级产品。除了常规多波束的优势之外，还有着和其多波束产品自身相关的独特的产品优势，也具有一些其自身独特的特点，先看一下MS8200的主要技术指标：

* 工作频率：200kHz

* 波束数目：512

* 波束宽度：1°×2°

* 波束开角范围：160°

* 测深范围：0.5-400m

* 测深分辨率：0.75cm

* 测深模式：等角/等距

* 最大Ping率：60Hz

* 信号形式：CW/Chirp

* 脉冲宽度：15us-8ms

正因为其MS8200具有以上的技术指标，加之北京海卓同创近二十年的技术积累，MS8200还具有以下特点：

（1）大扫宽，高效测量

最大160°波束开角、8倍水深以上的有效覆盖与最高有效Ping率60Hz相结合，测深范围达400米，保证专业海洋测绘用户的高效测量需求。

（2）多功能设计，一机多用

三维水下地形测量、侧扫成像、水体成像、多目标点检测功能集成一体，辅助测量设备内置与外置多种模式可选，满足用户不同用途。

（3）浑水优化，应用广泛

此款产品不论在内河、还是在沿海；不论是清澈水域，还是浑浊水域；不论是精细结构还是大范围水深测量，都可以通过调整频率实现最佳的测量效果匹配。

（4）大Ping率，大水深，低功耗

测量Ping率最大可达60Hz,最大测量水深达到400m，标准功耗在80W以内。

（5）全中文交互软件，软硬件同步开发，设置简单，操作难度小

# 全中文软件操作界面，全面升级的多波束显控HydroQuest和导航测量软件HydroNavi国际主流多波束测深系统功能接轨，新增了多种自动测量功能、噪点自动删除功能、多种门限设置功能和底图加载功能，满足外业测量的各种需求。

# 最重要的软硬件同步开发，功能实用，设置简单，大大降低了操作人员的操作难度。

# 另外外业软件还具有其满足国内测量用户的各种实用化功能和功能在开发的数据接口。

# 多种门限设置，能够有效解决特殊地形测量问题。

# 各种背景底图的加载功能，更方便用户规划测区和外业导航。

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来源：海卓同创

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