高分辨率多波束测深系统在静态库容测量中的应用

叶 伟1，史永忠，李京兵，魏荣灏，张 杰

（1.丽水经济开发区水利服务站，浙江 丽水 323000；2.浙江省河海测绘院，浙江 杭州 310008；3.浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310020）

高分辨率多波束测深系统在静态库容测量中的应用

叶 伟1，史永忠2，3，李京兵2，3，魏荣灏2，3，张 杰2，3

（1.丽水经济开发区水利服务站，浙江 丽水 323000；2.浙江省河海测绘院，浙江 杭州 310008；3.浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310020）

水库是调节水资源的重要工具，而库容数据是调度水资源的基础和依据。传统的静态库容测量方法采用单频测深仪或全站仪等，数据密度和分辨率较低，已经难以满足精细水资源管理的需求。在介绍多波束测深系统工作原理的基础上，研究了采用Sonic 2024多波束测深系统进行静态库容测量的方法并在浙江省某水库进行了测试。结果表明，数据成果分辨率和精度满足国家规范要求。

Sonic 2024多波束测深系统；静态库容；水库

1 问题的提出

水库是调节和利用水资源的重要工具，其作用包括防洪、发电、灌溉、供水、养殖和旅游等，主要通过调节水库水位从而调整水库的库容来实现。因此水库水位与库容之间的关系对相关管理工作有着举足轻重的作用。传统的水库库容测量技术主要利用航空摄影、全站仪或回声测距仪结合GPS的方式进行[1-3]，其主要采用特征点勾绘水库地形图并进行库容计算。这些方法外业数据采集效率相对较低，且难以获取高密度地形数据进行准确的库容计算，已经难以满足高效利用水资源的需要。随着技术的发展，当前已经出现了采用多波束测深系统进行库容测量的方法[4-5]。但是由于传统的多波束测深系统具有体积较大、分辨率较低和发射声波频率不可变等问题，获取的数据分辨率和精度较低。随着以美国R2Sonic公司的Sonic 2024为代表的第5代便携多波束测深系统的出现，当前技术已实现高分辨率、高精度、可变发射开角、可变发射角度和可变声波发射频率等特点，在海底管道调查等领域已得到了应用[6]，但在水库库容测量中的研究较少。因此在主要介绍多波束系统组成和工作原理的基础上，采用Sonic 2024多波束测深系统在浙江省某水库中进行了静态库容测量，通过最后利用DEM法在ArcGIS中进行了库容计算与分析。试验表明，该成果可较好地应用于水库静态测量中。

2 多波束系统工作原理

当前各种多波束测深系统的工作流程基本一致。由声学子系统向海底发射并接收声波，将声信号转换成电信号由数据采集处理子系统记录，结合多波束外围辅助设备子系统采集的定位、姿态和声速等数据求解出水深数据[7]（见图1）。系统基本工作原理如下：假设海底平坦，多波束测深系统工作时，由发射模块触发脉冲发生器向海底发射一个声波，声波遇到海底后通过反射或者散射以角度θ被接收模块接收，而接收模块是由N个接收单元组成的阵列，已知接收单元之间的间距d并测量出该点的声速值c，可以通过式（1）、（2）求出各个单元之间的延时，这样就可以先对各个接收单元的信号进行一定的时间偏移以获得波前相干干涉，对各个接收单元的输出求和，就可以求出对于入射角为θ时的最大接收阵列输出，即波束指向，将主波瓣轴向转向与垂直方向成θ角的方向。实际上，根据对一次发射、接收的信号进行处理后，可以获得所需各个角度的测量值，从而获得1条水深条带的数据。

式中：A、B分别代表声波与换能器2、1的距离，m；d代表换能器1、2之间的间距，m；θ代表换能器轴与声波的夹角，°；c代表声速，m/s；T1、T2分别代表声波回波到达换能器2、1的时间，s；具体可见图1。

图1 系统工作原理图

3 静态库容测量方法

进行水库静态库容测量时，需要建立或者校核已有的平面和高程控制成果，在库区内布设满足潮位控制的水位观测站点，进行多波束测深工作。其工作流程见图2。

图2 工作流程示意图

作为第5代多波束测深系统，Sonic 2024系统在静态库容测量中可通过调节声波频率、发射开角和发射角度等参数，实现高分辨率高精度的测量。若仅使用Sonic 2024系统进行水深探测，可采用400 kHz采集以获取高精度数据；若采用浅地层剖面仪等多种设备进行同步作业，可根据其他声学设备的频率调整2024系统的声波频率，保证不同声学系统之间不发生干扰；另外可以通过旋转发射开角和调整发射开角等方式对特征地物进行重点探测。同时还需要采集潮位和声速剖面等信息。潮位数据可通过RTK三维水深测量或者设立水位观测站的方式获取，声速剖面数据可通过定期投放声速剖面仪的方式获取。在获取水深数据及相关辅助数据后，经数据后处理可得到水库水下地形数据。图3为项目组在浙江省某水库获取的部分水下地形数据。从图3的左上方可明显看出，建库之前此处曾存在一个小池塘，其堤坝形态也较为清晰。在此蓄水池下方为若干梯田；图3右侧为水库部分区域清淤过程中留下的抓痕，精细地反映了水下地形的详细情况。

4 库容计算与分析

根据规范[8]要求，对经过各项改正后的多波束测深数据进行数据精度验证，其结果见表1。比较结果表明，多波束测深数据满足规范要求，可用于库容计算。当前常用的库容计算方法有如下几种：DEM法、断面法、格网法和等高线法等[9-12]。其中断面法和等高线法主要用于传统单频测深仪获取的数据，而格网法和DEM法可以用于处理单频测深仪数据和多波束测深数据，相关研究表明DEM法求取的数据精度更高[9]，且多波束测深成果为网格数据，无需经过内插便可计算。通过ArcGIS采用DEM法进行了库容计算：将数据导入到ArcGIS中，通过空间分析方法计算水位与面积的关系，进一步求取其库容，最后得到的水位 —面积—库容曲线（见图4）。

图4 水位—面积—库容曲线图

5 结 语

首先介绍了多波束测深系统的组成和系统工作原理，然后研究了Sonic 2024多波束测深系统进行静态库容测量的方法，并采用DTM法在ArcGIS中进行了库容计算。测试结果表明，多波束测深系统获取的水深数据满足规范要求，并能精细反映水库水下地形，网格化成果无需内插，便于在ArcGIS中采用DEM法进行库容计算。测试结果表明该设备可较好地应用于水库库容测量工作，具有较好的推广应用前景。

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[3] 张红梅，赵建虎.水库库容和淤积量精密测量及计算方法研究[J].武汉大学学报(工学版)，2003(5)：26 - 29.

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（责任编辑 黄 超）

Application of High Resolution Multibeam System in Reservoir Storage Capacity Survey

YE Wei1，SHI Yong - zhong2，3，LI Jing - bing2，3，WEI Rong - hao2，3，ZHANG Jie2，3

(1. Water Service Station of Lishui Economic Development Zone，Lishui 323000，Zhejiang，China；2. Zhejiang Surveying Institute of Estuary and Coast，Hangzhou 310008，Zhejiang，China；3. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Estuary and Coast，Hangzhou 310020，Zhejiang，China)

Reservoirs play an important role in water resource adjustment，and the storage capacity data of the reservoir is the key to water regulation.The traditional method uses single frequency depth sounders or total stations to investigate reservoir capacity which got low data density and resolution，and it's hard to meet the refi ned management requirements of water resource.The paper fi rst introduces the work principle of multi - beam sounding system，then focuses on how to use Sonic 2024 multi - beam sounding system to collect bathymetric data and calculate the reservoir storage.The test taken in one reservoir of Zhejiang Province shows that the Sonic 2024 system can get high data density with good precision and has bright application prospect in storage capacity survey.

Sonic 2024 multi - beam sounding system；storage capacity；reservoir

TV698

A

1008 - 701X(2017)02 - 0089 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.02.025

2016-08-16

浙江省科技计划项目(2016F10012，2017F10008)；浙江省水利科技计划项目（RC1501，RC1605）。

叶 伟(1980 - )，男，工程师，大学本科，主要从事水利工程管理工作。