便携式测深仪在中小湖泊应急水文测绘中的适用性评估及数据处理优化

1. 引言

中小湖泊作为水资源的重要载体，在防洪调蓄、生态维持和区域水资源安全中发挥着关键作用。近年来，受气候变化和人类活动影响，中小湖泊面临的突发性水文事件（如溃堤风险、水污染扩散、生态退化等）日益增多，亟需高效精准的应急水文测绘技术支撑。传统水文测绘方法如测深锤、测深杆等存在效率低下、精度不高、劳动强度大等问题，难以满足应急响应的时效性要求；而大型测深船虽能提供高精度数据，但受限于水深条件和设备机动性，在中小湖泊尤其是浅水区的应用受到极大限制。

2. 便携式测深仪的工作原理与技术特性

便携式测深仪主要基于超声波回声测深原理工作，通过换能器向水下发射超声波脉冲，声波遇到水底或其他障碍物后反射，换能器接收反射信号并根据声波传播时间计算水深。水深的计算与水中声速和声波往返传播时间相关，由于声速受水温、盐度等因素影响，现代便携式测深仪通常内置水温传感器，通过实时修正声速提高测量精度。

根据波束数量，便携式测深仪可分为单波束和多波束两类。单波束测深仪每次测量只能获得一个水深点数据，适用于简单地形和快速普查；多波束测深仪则能同时发射多个波束，一次测量可获得一定宽度的条带地形数据，效率更高，尤其适合复杂地形测绘。

从技术参数来看，便携式测深仪普遍具有较高的测量精度，能够满足中小湖泊水文测绘的精度要求。华测 D270 在浅水区测量中表现突出，最小测深可达 0.15m ，且配备浅水提醒功能，适合浅水草型湖泊测量。司南 HYD-300 集成了专用 Echo Survey 软件，支持数据采集、自动修复假水深和多格式导出，简化了应急测绘的数据处理流程。星天海洋 GeoBeam400M 作为多波束系统，拥有 140^∘ 最大扫宽和 60Hz 高采样率，在保证效率的同时可获取更丰富的地形细节，尤其适合复杂地形测绘。

3. 中小湖泊应急水文测绘适用性评估

针对中小湖泊应急水文测绘的特殊性，便携式测深仪适用性评估指标体系的构建遵循以下原则：应急导向原则，突出设备在时间紧迫情况下的快速响应能力；环境适配原则，重点考虑中小湖泊浅水区、水草区等特殊环境的适应能力；精度保障原则，确保测量数据满足应急决策的精度要求；成本效益原则，综合考虑设备购置、维护和作业成本；操作简便原则，强调设备在紧急情况下的易操作性。

测量精度是评估测深仪性能的核心指标，主要包括绝对精度、分辨率和定位精度。华测 D270 的测深精度可达 ±1cm+0.1% h，在黄河河口测量对比试验中，与传统测深杆相比，误差小于 0.05m 的数据占 62.90% ，小于 0.10m 的占 91.90% ，完全满足中小湖泊应急测绘的精度需求；主流设备均达到 1cm 分辨率，能够捕捉细微地形变化；通过与 RTK-GPS 集成，平面定位精度可达厘米级，满足水下地形三维建模需求。

应急测绘要求设备便于携带和快速部署，操作便捷性主要评估设备重量与尺寸、部署时间和操作复杂度。华测 D270 主机仅 840g ，体积 163×120×44mm ，单人即可携带和操作；从设备开箱到开始测量的准备时间，便携式测深仪平均为 15-20 分钟，较传统测深船节省 80% 以上；现代测深仪普遍采用图形化操作界面，支持一键测量，非专业人员经简单培训即可操作。

中小湖泊环境复杂多变，设备需具备较强的环境适应能力，包括水深适应性、水温适应性、防水防尘性能和抗干扰能力。重点评估浅水区测量能力，华测 D270 最小测深 0.15m ，适合大多数中小湖泊浅水区测量；设备工作温度范围应覆盖当地极端水温，三款设备均能满足 - 10^∘C～50^∘C 的工作环境需求；IP67 及以上等级可保证设备在雨中或短暂浸水情况下正常工作；在水草茂密区域，通过增益调节可有效减少信号干扰。

4. 数据处理优化方法

原始测深数据中常包含各种误差和噪声，需进行预处理以提高数据质量。数据清洗采用 3σ 准则识别并剔除异常值，对缺失数据采用线性插值或克里金插值法填补，司南 HYD-300 配套的 Echo Survey 软件可自动修复假水深，减少人工干预。格式转换是将设备原生格式数据转换为通用格式（如 CSV、SHP），便于后续处理，华测 D270 支持 NMEA 标准格式输出，可直接导入主流 GIS 软件。时间同步是对测深数据与定位数据进行同步，确保每个水深点都有准确的空间坐标，通过 1PPS 脉冲和时间标记技术，可将时间同步误差控制在毫秒级。

误差修正技术方面，声速误差是影响测深精度的主要因素之一，可通过实时校正、分段校正和公式校正等方法修正。实时校正利用设备内置水温传感器（如华测 D270）实时测量水体温度，自动计算声速；分段校正针对面积较大的湖泊，按区域采集水温数据，分段进行声速校正；公式校正则依据相关经验公式，结合水温计算声速。

波束角效应会导致地形起伏区域的水深测量误差，可采用基于地形平均坡度的邻域改正方法，先计算每个测点周围 8 个邻域点的平均坡度，再根据坡度估计地形倾斜角，最后基于倾斜角对测量水深进行改正。该方法在多波束测深数据处理中已得到验证，可使边缘波束误差最大值显著减小，应用于单波束数据处理可有效改善岸边效应带来的误差。

波浪引起的水面起伏会导致测深误差，可采用滤波法、同步测高法和软件校正等方法。滤波法是对连续测量数据进行滑动平均滤波，平滑波浪引起的高频波动；同步测高法通过同步测量波浪高度，计算波浪周期内的水深平均值减少误差；部分测深软件内置波浪补偿算法，可自动消除波浪影响。

水草干扰会产生假回波，导致测深值偏浅，处理方法有参数优化、频率选择、数据甄别和后期编辑。参数优化是增大发射功率（如华测 D270 最大 300W），提高穿透能力；频率选择在水草区选用较低频率（如 25KHz），利用其较强的穿透能力获取真实水底数据；数据甄别结合水体透明度和水草生长规律，通过阈值法识别并剔除水草反射信号；后期编辑在数据处理软件中手动编辑水深曲线，保留真实水底反射信号。

5. 结论

本文通过构建评估指标体系和实际案例分析，系统研究了便携式测深仪在中小湖泊应急水文测绘中的适用性，并提出了针对性的数据处理优化方法，主要结论如下：便携式测深仪在中小湖泊应急水文测绘中具有显著优势，其测深精度可达 ±1cm+0 1% h，部署时间短，环境适应性强，作业效率是传统方法的 5-10 倍，成本仅为大型测深系统的 1/5–10 。构建的多维评估指标体系（测量精度、操作便捷性、环境适应性、效率及成本效益）可有效评估设备适用性，华测 D270、司南 HYD-300 和星天 GeoBeam400M 等主流设备均能满足中小湖泊应急测绘基本需求，其中华测 D270 在浅水区表现突出， GeoBeam400M 在复杂地形测绘中更具优势。提出的数据处理优化方法可显著提高数据质量，包括基于实时水温的声速校正、基于地形坡度的波束角效应改正、针对浅水区的增益调节和数据平滑、针对水草区的频率切换和假回波剔除等，实际应用中误差大于 0.10m 的比例可从 8% 降至 3% 以下。

参考文献

[1] 中国地质调查局。探索湖泊奥秘 支撑国情调查 —— 中国地质调查局长沙中心湖泊调查项目工作侧记 [EB/OL]. 2024.

[2] 华测导航. D270 便携式测深仪技术参数 [EB/OL]. 2025.

[3] 水文测量仪器项目评估报告 [R]. 人人文库，2025.