大型水利工程测绘中水下地形测量技术的应用及数据处理方法优化

一、引言

大型水利工程建设与运营高度依赖水下地形数据，勘察设计、施工、运营阶段均需相关数据支持。然而，工程面临水域广、水深变化大等挑战，传统测量技术效率低、精度不足，难以满足需求。因此，明确测量技术应用边界、优化数据处理方法，是提升水下测绘质量的关键。

二、大型水利工程水下地形测量技术的应用场景与要点针对不同阶段与水下环境，需合理选用测量技术（一）单波束测深技术：适用于常规水深测量

该技术设备简单、成本低、操作便捷，用于库区水深普查、航道监测等。应用要点：一是合理规划测线，根据工程和水域情况采用“ 平行式”或“ 放射式” ，按精度要求确定间距；二是控制船速与姿态，船速控制在4 - 6 节，安装姿态传感器校正偏差；三是做好水位校正，布设观测站获取水位数据，融合计算实际高程。

（二）多波束测深技术：适用于复杂地形精细测量

该技术能一次性获取宽幅数据，效率高、分辨率高、覆盖广，用于坝基勘察、航道探测等。应用时关注：一是校准设备与设置参数，投放声速仪建立模型修正声速影响；二是进行动态吃水与潮汐校正，利用GPS 与传感器采集数据，软件自动校正；三是调整复杂环境适应性，水流湍急区降速增重叠度，淤泥质河床调整声波频率与功率。

（三）侧扫声呐技术：适用于水下目标探测

该技术可呈现水下地貌与目标轮廓，用于库区障碍物排查等。应用关键：一是选择工作频率，高频适用于近距离精细探测，低频用于大范围普查；二是控制拖鱼深度与拖速，深度 1-3m ，拖速3 - 5 节；三是解译与验证数据，结合多波束测深或潜水探摸确认目标信息，避免误判。

三、水下地形测量数据处理方法的优化策略

水下地形测量数据量大、干扰因素多，需通过科学的处理方法优化，提升数据质量与建模精度。

（一）数据预处理优化：消除噪声与偏差

数据预处理是提升数据质量的基础，需针对测量数据中的噪声、异常值与系统偏差进行优化处理。其一，噪声抑制与异常值剔除，采用小波分析算法对测深数据进行降噪处理，分离声波传播过程中产生的环境噪声（如水流噪声、船舶机械噪声）；同时通过 3σ 准则（拉依达准则）识别异常值，即剔除与数据均值偏差超过 3 倍标准差的测深数据，例如在多波束数据中剔除因声波反射异常导致的 “ 飞点” 数据，确保数据可靠性。其二，系统偏差校正，建立多源偏差校正模型，综合校正测量设备（如换能器安装偏差、声速误差）、船体姿态（横摇、纵摇、航向）、环境因素（水位、潮汐）导致的系统偏差，通过数据处理软件（如 CARIS、HYPACK）实现偏差的自动化校正，减少人工处理误差。其三，数据格式标准化，将单波束、多波束、侧扫声呐等不同来源的测量数据转换为统一的标准格式（如XYZ 格式、LAS 格式），为后续数据融合与建模奠定基础。

（二）数据融合建模优化：提升地形表征精度

数据融合建模通过整合多源测量数据，构建更精准的水下地形模型，适用于大型水利工程的复杂场景建模。首先，构建多源数据融合模型，采用加权平均法融合单波束与多波束数据，根据数据精度赋予不同权重（如多波束数据权重 0.7-0.8，单波束数据权重 0.2-0.3），解决单一技术数据覆盖不全或精度不足的问题；同时将侧扫声呐的目标特征数据与地形高程数据融合，在地形模型中标注水下目标物的位置与轮廓，提升模型的信息完整性。其次，优化网格建模算法，采用不规则三角网（TIN）替代传统的规则格网（GRID）进行地形建模，TIN 可根据地形复杂度动态调整三角网密度，在地形变化剧烈区域（如坝基边坡、冲刷坑）加密网格，在地形平缓区域简化网格，既保证建模精度，又减少数据冗余，例如在水电站坝基建模中，TIN 模型的精度可较 GRID 模型提升 20‰ 。最后，引入三维可视化技术，利用 BIM 或 GIS 平台构建水下地形三维模型，实现地形数据的交互式浏览、查询与分析，例如通过三维模型直观展示库区淤积厚度分布、航道水深变化趋势，为工程决策提供可视化支撑。

（三）精度验证与质量控制优化：建立全流程质控体系

精度验证与质量控制是确保数据可靠性的关键，需建立全流程质控体系，即“ 事前校准 - 事中监控 - 事后验证” 。首先，进行事前设备校准质控，制定标准化校准流程，明确单波束、多波束、侧扫声呐等设备的校准项目、方法与频次，如多波束测深系统每月换能器校准一次，每次测量前进行声速剖面校准，并记录数据形成质控档案。其次，开展事中测量过程监控，利用实时数据处理软件监控测量数据质量指标（如数据完整性、精度偏差、信号强度），当指标超出阈值（如数据缺失率超 5% 、精度偏差超 10cm），立即暂停测量并排查问题（如设备故障、参数设置错误），确保过程可控。最后，实施事后数据精度验证，采用“ 交叉验证法” 与“ 实地验证法” 结合的方式：交叉验证对比不同测量技术重叠区域数据（如多波束与单波束测深数据）计算偏差；实地验证通过投放水位测杆、潜水探摸等获取实测数据与建模数据对比，确保水下地形模型平面位置中误差不超 20cm，高程中误差不超 15cm，满足大型水利工程精度要求。

四、工程应用实例

以某大型水电站库区水下地形测绘项目为例，该项目需完成 100km² 库区的水深测量、水下障碍物排查与地形建模。采用 “ 多波束测深 + 侧扫声呐 + 单波束补测” 的技术方案：多波束测深覆盖库区主体区域，侧扫声呐排查疑似障碍物区域，单波束对浅滩、库岸周边等多波束难以覆盖的区域进行补测。数据处理采用优化后的方法：通过小波分析降噪与 3σ准则剔除异常值，融合多源数据构建 TIN 三维地形模型，并通过潜水探摸验证精度。应用结果显示：水下地形模型的平面位置中误差为 12cm，高程中误差为 8cm，成功识别出 3 处暗礁、2 艘沉船等水下障碍物，为库区清淤方案制定、航行安全保障提供了精准的数据支撑，测量效率较传统单一技术方案提升 60‰

五、结论

大型水利工程水下地形测量需根据工程需求与水下环境，合理选用单波束、多波束、侧扫声呐等技术，并通过数据预处理、融合建模、精度验证的全流程优化，提升数据质量与建模精度。

参考文献

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