多波束測(cè)深系統(tǒng)在河道采砂管理量化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

韓賢權(quán)，周 武，梁 俊，譚 勇

(長(zhǎng)江科學(xué)院a.工程安全與災(zāi)害防治研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心;c.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中河道砂石資源的需求量日益擴(kuò)大，受利益驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致局部地區(qū)和局部河段無序采砂和非法采砂活動(dòng)十分猖獗，甚至嚴(yán)重影響了河勢(shì)穩(wěn)定，極大地危害了河道的防洪安全和通航安全，同時(shí)也造成了國(guó)有礦產(chǎn)資源的流失。因此，必須采取多種措施，提高執(zhí)法水平和執(zhí)法效率，堅(jiān)決打擊非法亂采濫挖行為。目前，我國(guó)的采砂監(jiān)管工作依據(jù)現(xiàn)有的河道采砂管理?xiàng)l例，從管理體制、管理機(jī)制以及許可程序和聯(lián)合執(zhí)法等方面，采取了一系列卓有成效的行政管理手段并加大了執(zhí)法力度，使一度薄弱的河道采砂管理工作得到了加強(qiáng)，一度猖獗的非法采砂活動(dòng)得到了有效遏制，一度混亂的采砂秩序得到了根本扭轉(zhuǎn)，河道采砂管理工作取得了明顯的成效。然而，依靠現(xiàn)有監(jiān)管技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到有效控制砂石資源合理開采利用的目的，還需要河道采砂管理工作人員采取多種技術(shù)手段、定時(shí)定量地對(duì)河道采砂行為進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)河道砂石資源利用的科學(xué)規(guī)劃，量化監(jiān)管工作有據(jù)可依。

本文從河道砂石資源優(yōu)化利用與采砂監(jiān)管技術(shù)的角度出發(fā)，提出一種基于多波束測(cè)深技術(shù)的區(qū)域河道采砂監(jiān)測(cè)技術(shù)，以達(dá)到周期性地監(jiān)測(cè)采砂量變化的目的，同時(shí)輔助管理者對(duì)河道砂石資源合理開采情況進(jìn)行決策評(píng)價(jià)。

2 多波束水下測(cè)深系統(tǒng)

2.1 多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成

多波束測(cè)深技術(shù)是現(xiàn)代水下探測(cè)領(lǐng)域的新興技術(shù)，它集成了現(xiàn)代空間測(cè)控技術(shù)、聲吶技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)等一系列高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下探測(cè)目標(biāo)的高精度和高密度測(cè)量。本文用到的SeaBat 7125是目前世界上最先進(jìn)、精度最高的多波束測(cè)深系統(tǒng)之一，它主要由OCTANS光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器、聲速剖面儀、側(cè)掃圖像處理系統(tǒng)、多波束數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)(CARIS HIPS后處理軟件)、QTC Multiview底質(zhì)分類系統(tǒng)等共同組成。整個(gè)系統(tǒng)的組成見圖1。

圖1 多波束測(cè)深系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of multibeam sounding system

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)SeaBat 7125以帶狀方式進(jìn)行測(cè)量，波束連續(xù)發(fā)射和接收，測(cè)量覆蓋程度高，對(duì)水下地形可100%覆蓋。與單波束比較，波束角窄，能夠完全反映細(xì)微地形的變化。單波束是點(diǎn)、線的反映，而多波束則是面上的整體反映。多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量成果更真實(shí)可靠，由于是全覆蓋，其大量的水深點(diǎn)數(shù)據(jù)使等值線生成真實(shí)可靠;而單波束是將斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行摘錄成圖以插補(bǔ)方式生成等值線，在數(shù)據(jù)采集不夠時(shí)，等值線會(huì)存在一定偏差。

(2)發(fā)射換能器向水底投射出128°寬的覆蓋扇區(qū)，接收器同時(shí)形成256個(gè)動(dòng)態(tài)聚焦波束，測(cè)深分辨率為5 mm。波束后向散射強(qiáng)度圖像和檢測(cè)到的距河床底距離實(shí)時(shí)顯示在聲吶監(jiān)視器上，且便于快速質(zhì)量檢查。

(3)眾所周知，測(cè)量船只的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)水下測(cè)量的數(shù)據(jù)影響很大，多波束測(cè)深系統(tǒng)在測(cè)量前和測(cè)量時(shí)，光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集船行姿態(tài)數(shù)據(jù)，PD2000采集軟件同步記錄船姿態(tài)信息，并對(duì)船行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，進(jìn)而保證后處理中的水深測(cè)量數(shù)據(jù)能夠真實(shí)有效地反映水底情況，而單波束在這方面是無法實(shí)現(xiàn)的。

(4)CARIS HIPS后處理軟件功能強(qiáng)大，可以根據(jù)需要抽取不同比例尺的數(shù)據(jù)成圖，生成的圖件類型有:測(cè)深數(shù)據(jù)圖;水深等值線圖;三維數(shù)字地形模型(DTM)圖;彩色水深圖;彩色地形陰影圖以及質(zhì)量控制報(bào)告等。

3 多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用于采砂管理量化監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)的水下監(jiān)測(cè)方法大多是采用單波束測(cè)深系統(tǒng)完成的，它是一種線狀反映水下地形的手段，工作量大且精度有限，難以勝任大比例尺和特殊要求的水下地形測(cè)量任務(wù)。而多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量快捷、高分辨率、高精度、全覆蓋等特點(diǎn)［1］，可以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視水下地形地貌的細(xì)微變化，非常適合水下工程及河道的監(jiān)測(cè)任務(wù)。在此背景下，采用多波速測(cè)深系統(tǒng)對(duì)區(qū)域河道進(jìn)行數(shù)字化、信息化監(jiān)控管理就顯得尤為重要。

在數(shù)據(jù)處理方面，傳統(tǒng)的處理方法是通過構(gòu)建Delauny三角網(wǎng)或Grid規(guī)則格網(wǎng)來形成水下的DTM，再通過分塊處理、四叉樹索引來達(dá)到水下地形多尺度LOD顯示的效果。但是針對(duì)區(qū)域河段采砂行為的量化監(jiān)測(cè)而言，其核心思想并不是可視化，而是周期性地監(jiān)測(cè)河段砂量開采的變化情況，同時(shí)考慮到水下地形數(shù)據(jù)具有多樣性、海量性、復(fù)雜性等特點(diǎn)以及提高計(jì)算效率減少計(jì)算機(jī)功耗等目的，本文采用對(duì)離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合而非構(gòu)建DTM的方法來處理不同時(shí)間采集的多波束水下地形數(shù)據(jù)，能夠保證有足夠的水深值來進(jìn)行數(shù)據(jù)插值，保證結(jié)果的正確性且不失真。在此基礎(chǔ)上，對(duì)擬合曲面進(jìn)行求差計(jì)算，從而得出階段時(shí)間內(nèi)河道砂石資源的變化量。輔助管理者對(duì)合理開發(fā)利用砂石資源進(jìn)行決策。數(shù)據(jù)分析處理流程見圖2。

圖2 采砂量化監(jiān)測(cè)流程Fig.2 Flow chart of quantitative monitoring of river sand mining

采集得到的這些多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)屬于大規(guī)模離散數(shù)據(jù)的一種，在這些海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)當(dāng)中，偶有臨近點(diǎn)間的高程突變(局部不連續(xù))，但根據(jù)水下地形的特點(diǎn)分析，這些水下高程點(diǎn)的突變一般不是由水下地形的陡然起伏所造成，更為可能的是測(cè)量時(shí)產(chǎn)生噪聲點(diǎn)或無效數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要通過濾波處理去掉無效點(diǎn)［2］。

經(jīng)過濾波后的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲面重建一直以來是函數(shù)逼近論的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)的發(fā)展，離散數(shù)據(jù)的曲面重建技術(shù)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，離散數(shù)據(jù)擬合或插值是用一個(gè)光滑的曲面或通過一系列無規(guī)則的抽樣數(shù)據(jù)來逼近。

在盡量減少計(jì)算機(jī)損耗和提高計(jì)算效率的前提下，海量離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲面擬合可以歸結(jié)如下:

給定有限點(diǎn)集(xi，yi)，(i=1，…，n)，以及相應(yīng)的值z(mì)i=f(xi，yi)∈R，Ω∈R2是平面的一個(gè)界限域，要構(gòu)造一個(gè)曲面S:Ω→R，該曲面S應(yīng)當(dāng)盡可能地符合以下目標(biāo)［3］。

(1)S應(yīng)當(dāng)逼近數(shù)據(jù)，例如，S(xi，yi)≈zi;

(2)S應(yīng)當(dāng)具有較好的可視效果，并且要有利于以后進(jìn)一步的處理;

(3)對(duì)S的計(jì)算和評(píng)估應(yīng)當(dāng)快速且有效;

(4)對(duì)S的計(jì)算在數(shù)值上應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定的，例如采用的方法對(duì)于任何數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布均是適用的;

(5)應(yīng)當(dāng)考慮到數(shù)據(jù)的局部變動(dòng)和分布;

(6)采用的方法應(yīng)當(dāng)易于實(shí)現(xiàn)。

在滿足以上6個(gè)宗旨的前提下，本文采用加權(quán)移動(dòng)平均算法(Weighted Moving Average)對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。加權(quán)移動(dòng)平均算法用于將離散型分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的數(shù)值，同時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值加密或抽取處理，目的是用地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示地形表面的連續(xù)函數(shù)。

該方法十分靈活并且精度較高，計(jì)算簡(jiǎn)單，不需要很大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存。算法選取離散分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，一般考慮2個(gè)因素:①范圍，即采用多大面積范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)來計(jì)算被插點(diǎn)的數(shù)值;②點(diǎn)數(shù)，即選取多少點(diǎn)參加計(jì)算被插補(bǔ)的點(diǎn)。這2個(gè)因素的實(shí)際應(yīng)用要根據(jù)具體情況而定。范圍的大小是以某個(gè)被插值點(diǎn)為圓心，以R為半徑來確定的。其半徑?jīng)Q定與原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的疏密程度和原始數(shù)據(jù)點(diǎn)可能影響的范圍。由于原始數(shù)據(jù)點(diǎn)分布不均勻，為了保證求解二次曲面方程，要有足夠數(shù)量的點(diǎn)，但又不能太多，因此圓半徑不是固定的。對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的圓半徑的決定，可以采用逐步變動(dòng)的做法，見圖3。

圖3 動(dòng)態(tài)圓法網(wǎng)格化示意圖Fig.3 Dynamic circle analysis in grid

將研究河段內(nèi)水下地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的連續(xù)函數(shù)，采用規(guī)則圓方法，拾取規(guī)格化節(jié)點(diǎn)臨域范圍內(nèi)掃測(cè)值進(jìn)行擬合計(jì)算。對(duì)于每一個(gè)新點(diǎn)選取其鄰近的n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。把新點(diǎn)作為平面坐標(biāo)的原點(diǎn)，然后用一個(gè)多項(xiàng)式曲面擬合。多項(xiàng)式中的各參數(shù)由n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)求得。例如某點(diǎn)t的平面坐標(biāo)為xt，yt，現(xiàn)根據(jù)加權(quán)移動(dòng)平均算法計(jì)算其高程，假定擬合曲面如式(1)所示:

式中ai(i=0，1，…，5)為待定參數(shù)。首先在以P點(diǎn)為圓心、以R為半徑的圓內(nèi)選用數(shù)據(jù)點(diǎn)，把這個(gè)范圍內(nèi)的各數(shù)據(jù)點(diǎn)i的平面坐標(biāo)值(xi，yi)變換為以t為原點(diǎn)的坐標(biāo)值，即

對(duì)于n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，可列出n個(gè)誤差方程式:

矩陣表示為

其中:

各數(shù)據(jù)點(diǎn)賦予適當(dāng)?shù)臋?quán)Pi，則式(4)所對(duì)應(yīng)的權(quán)矩陣為

按照最小二乘法求解式(4)得:

再通過式(4)即可求出任一新點(diǎn)的高程內(nèi)插值。

通過插值計(jì)算，能夠形成規(guī)則的、連續(xù)的水下高程數(shù)據(jù)，這些規(guī)則的離散數(shù)據(jù)能夠較真實(shí)地反映河段內(nèi)的水下地形，保證有足夠的水深值來進(jìn)行比較分析。是采砂管理量化監(jiān)測(cè)中極為重要的環(huán)節(jié)。

4 采砂管理量化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用工程實(shí)例

按照此技術(shù)路線于2010年4月25日和2011年4月27日2次分別對(duì)長(zhǎng)江流域某采砂河段的河床進(jìn)行了分階段的測(cè)量，前次測(cè)量時(shí)水面高程為24.247 m;后次測(cè)量時(shí)水面高程為21.978 m，其水下地形示意圖見圖4至圖6。2次測(cè)量的目的，就是為了得到階段時(shí)間內(nèi)區(qū)域河道內(nèi)砂石資源量的動(dòng)態(tài)變形情況。

圖4 2010年4月水下地形Fig.4 The underwater DTM in April，2010

按照上述方法分別擬合插值2次測(cè)量得到的多波束數(shù)據(jù)，并采取俯視的角度進(jìn)行比較。截取圖7中紅色區(qū)域的斷面進(jìn)行分析，如圖8所示?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論:由于采砂活動(dòng)的進(jìn)行，截止2011年4月，主河道重點(diǎn)采砂監(jiān)控區(qū)域相比于2010年4月最深處被開挖2.32 m，被開挖斷面區(qū)域大約寬為38.7 m，1 000 m長(zhǎng)的河道內(nèi)被開采的砂石量約為7萬m3。

圖5 2011年4月水下地形Fig.5 The underwater DTM in April，2011

圖6 2次水下地形對(duì)比圖Fig.6 Comparison of two underwater DTMs

圖7 特征斷面示意圖Fig.7 Characteristic section map

圖8 采砂量變化對(duì)比圖Fig.8 Changes of the sand mining amount

5 結(jié)論

本文以長(zhǎng)江流域某采砂河段為監(jiān)控對(duì)象，提出了基于水下多波束測(cè)深技術(shù)的河道采砂量化監(jiān)測(cè)管理手段，并運(yùn)用相關(guān)算法計(jì)算出采砂量，具有直觀性、高效性和可靠性，大大減少了人工作業(yè)量，改變了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的落后手段，為河道采砂資源優(yōu)化利用和有序監(jiān)管提供了有效的技術(shù)支撐。

多波束測(cè)深系統(tǒng)除了能量化監(jiān)測(cè)河道砂石資源的變化外，還可廣泛應(yīng)用于堤防、水庫(kù)、湖泊及海洋等水域的水下地形測(cè)量，進(jìn)行水下工程及其水工建筑物的安全檢測(cè)(如拋石護(hù)岸等);河道疏浚及港口、碼頭、橋梁的工程測(cè)量;水下管線、電纜等的監(jiān)測(cè);沉船、水下物體的打撈搜尋等。這套系統(tǒng)的測(cè)量效益、實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景將進(jìn)一步顯現(xiàn)。

［1］劉經(jīng)南，趙建虎.多波束測(cè)深系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.海洋測(cè)繪.2002，22(5):3 －6.(LIU Jing-nan，ZHAO Jian-hu.Status Quo and Development Trend of Multibeam Sounding System［J］.Journal of Hydrographic Surveying and Charting，2002，22(5):3 －6.(in Chinese))

［2］賴仲淄，陳堅(jiān)雄，鄭道賢.SEABEAM1185多波束系統(tǒng)的測(cè)量精度分析及在堤防監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.海洋測(cè)繪，2007，27(6):58 － 61.(LAI Zhong-zi，CHEN Jian-xiong，ZHENG Dao-xian.Analysis of the Surveying Precision for SEABEAM1185 System and Its Application in Embankment Monitoring［J］.Journal of Hydrographic Surveying and Charting，2007，27(6):58 －61.(in Chinese))

［3］孫 嵐，劉雁春，李明叁.基于多波束數(shù)據(jù)的海底地形建模技術(shù)［J］.海洋測(cè)繪，2009，29(1):39 －41.(SUN Lan，LIU Yan-chun，LI Ming-san.Technique on Building DEM of Bathymetry Using Multi-beam Data［J］.Journal of Hydrographic Surveying and Charting，2009，29(1):39 －41.(in Chinese))

［4］唐秋華，陳義蘭，周興華，等.多波束海底聲像圖的形成及應(yīng)用研究［J］.海洋測(cè)繪，2004，24(5):9 －12.(TANG Qiu-hua，CHEN Yi-lan，ZHOU Xing-hua，et al.Study on the Producing and Application of Multi-beam Sonar Image［J］.Journal of Hydrographic Surveying and Charting，2004，24(5):9 －12.(in Chinese))