河道疏浚工程中多波束测深仪的水下地形测量精度优化研究

关键词：河道疏浚；多波束测深；地形测量；精度优化；误差控制；数据处理

引言

河道疏浚是提升航道通航能力、保障防洪安全及修复水生态的关键工程措施。其成功实施高度依赖于对水下地形变化的精确感知与动态监控。多波束测深仪凭借全覆盖、高效率、高分辨率的技术优势，已成为疏浚工程地形测量的主流设备。然而，复杂的河道水环境——如湍急水流、悬浮泥沙、不规则河床形态及频繁的船舶干扰——对多波束测深数据的精度构成了严峻挑战。细微的测量偏差可能导致疏浚工程量误判、边坡失稳或资源浪费。因此，系统研究多波束测深在疏浚场景下的误差机制，探索切实可行的精度优化策略，对实现“精准疏浚”目标具有重要工程价值与科学意义。

一、多波束测深原理与精度制约框架

多波束测深技术基于声波传播与反射的物理机制，通过阵列换能器发射扇形声波束并接收河底回波信号，依据声波往返时间与波束指向角计算水深值。其测量精度受多层级因素耦合干扰：设备固有层中，换能器基阵的安装校准误差会直接导致波束空间指向失准，而发射接收时序不同步则引发时间基准漂移；声学物理层内，水体声速剖面的空间梯度变化导致声线路径非线性弯曲，传统简化修正模型难以精确描述复杂声场，且高频声波在含悬浮泥沙水体中的异常衰减会显著削弱有效信号强度；环境扰动层方面，疏浚船舶在风浪作用下的六自由度运动通过姿态传感器传递至波束矢量，而高速水流引发的紊流空化效应会扭曲声波波形，软质底泥对声波的非镜面反射特性则造成回波能量失真；数据处理层中，GNSS 定位数据与测深数据的时间空间配准精度不足会引入融合误差，潮位模型简化及余水位效应未完全消除导致垂直基准偏移。这些因素在狭窄弯曲河道中因多次反射和能量衰减而产生叠加效应，亟需系统性建模与补偿。

二、定位与姿态动态补偿技术优化

高精度动态定位与姿态补偿是实现空间数据几何保真的核心技术。针对河道疏浚船舶的高机动性特点，应采用 GNSSPPP/RTK 与光纤惯导系统深耦合方案，通过扩展卡尔曼滤波融合多星座多频点原始观测值及惯性测量单元输出的角速度与加速度信息，在卫星信号失锁期间利用惯导短时高精度特性维持定位连续性，显著降低多路径效应与桥梁遮挡造成的定位跳变。姿态补偿需突破传统低频输出限制，采用 200Hz 高频姿态传感器实时监测船舶横摇纵摇变化，结合船舶流体力学模型预测运动趋势，并通过四元数旋转矩阵实现波束矢量在统一坐标系下的瞬时空间投影。特别需关注换能器吃水深度动态变化，安装压力式吃水仪实时监测载重变化引起的吃水调整，结合吃水线视觉识别系统交叉验证，消除因燃料消耗与疏浚物料装载导致的系统性偏差。同时建立定位姿态数据质量实时评估模型，对位置精度因子与姿态残差进行阈值预警。

三、声速传播特性建模与修正

声速剖面时空变异是水深误差的最大贡献源。在受潮汐顶托与淡水径流共同作用的疏浚河段，需构建动态声速场四维重构模型：空间维度部署无人艇拖曳式 CTD 传感器阵列，沿测线方向以蛇形走航模式采集温度盐度剖面数据，结合 ADCP 流速剖面反演声速梯度；时间维度设置固定式声速剖面浮标网络，以 10 分钟间隔连续监测垂向变化。数据处理阶段开发智能声线追踪算法，基于非均匀有理 B 样条曲面拟合三维声速场，采用变步长龙格库塔法求解声波传播微分方程，实现声线路径的精确重建。针对高含沙水体，建立声速-含沙量-频率耦合修正模型，通过实验室标定不同粒径泥沙的声吸收系数，现场利用声学反向散射强度反演悬沙浓度，进而修正声速计算值。对关键疏浚区域实施声速敏感性分析，识别声速误差传递敏感区并优化采样策略。

四、点云数据处理关键技术

多波束原始点云需经智能算法提纯以还原真实地形。针对疏浚区特有的强噪声环境，设计多级联滤波架构：初级滤波采用改进的距离统计法，通过构建 KD 树加速邻域搜索，计算点云局部曲面拟合残差，剔除超出 3倍中误差的粗差点；中级滤波应用抗差 CUBE 算法，依据波束入射角与回波强度先验知识建立地形概率模型，通过期望最大化算法迭代优化地形曲面参数，自动识别并抑制因悬浮物遮挡产生的数据空洞；高级滤波引入时频联合分析法，对接收信号进行小波包变换提取时频谱特征，分离水流气泡噪声的宽带高频成分与有效回波窄带低频能量。在数据融合环节，提出自适应航带平差模型，以点云局部曲率为权重进行重叠区域加权融合，通过李群表示的三维刚体变换实现航带配准，并引入地形结构线约束保证特征地形连续性。最终生成带不确定性评定的数字高程模型。

五、全流程质量控制体系构建

精度优化需建立贯穿工程全链条的量化质控体系。事前控制阶段在标准检校场完成设备系统性测试，包括换能器阵列的波束模式验证、姿态传感器转台标定及声速探头比测实验，确保仪器常数误差被严格限定；事中控制部署实时质控驾驶舱系统，同步监测回波质量因子、波束开角一致性、定位精度衰减因子等 12 项核心参数，当航向重叠率低于 15% 或波束发散角变异系数超限时自动触发报警；事后控制执行多层级校验：通过相邻航带点云 ICP 匹配计算拼接中误差，利用闭合线不符值统计分析随机误差分布，借助地面控制点与激光扫描数据进行绝对精度验证。构建结构化质控数据库，记录每项操作的误差贡献值及操作员签名，形成可追溯的精度责任链。制定疏浚测量专项质控标准，明确平面定位误差 ⩽0.2m 、深度中误差 ⩽0.1 %水深的技术要求。

结论

河道疏浚工程中的水下地形测量精度直接关系工程安全与资源优化配置。本研究系统剖析了多波束测深技术在复杂河道环境下的精度制约机制，提出从设备校准、动态补偿、声速建模到数据处理的立体优化路径。通过GNSS/INS 深耦合技术实现厘米级定位与毫秒级姿态补偿，显著抑制了船舶运动对波束指向的干扰；构建四维动态声速场重构模型，结合射线追踪与悬沙浓度反演，攻克了声速剖面时空异质性导致的声线弯曲误差；针对疏浚扰动环境开发的多级联智能滤波算法，有效分离了悬浮物遮挡、水流噪声等干扰信号，保障了点云数据的拓扑完整性；而贯穿全流程的量化质控体系，通过实时监控、航带闭合差分析与不确定性评定，实现了误差的闭环管理。实践表明，上述技术体系可将水深测量中误差控制在 0.1% 水深以内，为疏浚工程量精准计量、边坡稳定性评估及施工导航提供了高置信度空间基底。未来需进一步融合声学底质分类与人工智能算法，构建误差自适应补偿模型，推动水下地形测量向智能化、标准化方向演进。

参考文献：

[1]邹烨杰，李大军.基于无人艇多波束测深系统的浅海水下地形自动化 全覆盖测量.[J].江西测绘，2023，（02）：8-11.

[2]董雨.多波束测深系统在海洋航道测量中的应用研究.[J].工程技术研究，2023，8（15）：122-124.

[3]马郑海，林荡，李胜宣，罗文胜.基于多波束系统的荆江门河段水下地形 测绘.[J].水利水电快报，2022，43（12）：36-40.

[4]戴天，缪玲娟，邵海俊.一种基于多波束测深仪的水下同步定位与地图 构建方法[J].兵工学报，2020，41（07）：1384-1392.