1 多波束水下测深系统

1.1 多波束水下测深系统的组成

多波束测深技术是现代水下探测领域的新兴技术，它集成了现代空间测控技术、声呐技术、计算机技术、信息处理技术等一系列高新技术，实现了对水下探测目标的高精度和高密度测量。本文用到的SONIC2024是目前世界上最先进、精度最高的多波束测深系统之一，它主要由OCTANS光纤罗经和运动传感器、声速剖面仪、侧扫图像处理系统、多波束数据后处理系统(CARIS HIPS后处理软件)、QTC Multiview 底质分类系统等共同组成。整个系统的组成见图1。

1.2 系统特点

(1)SONIC2024以带状方式进行测量，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100%覆盖。与单波束比较，波束角窄，能够完全反映细微地形的变化。单波束是点、线的反映，而多波束则是面上的整体反映。多波束测深系统的测量成果更真实可靠，由于是全覆盖，其大量的水深点数据使等值线生成真实可靠；而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线，在数据采集不够时，等值线会存在一定偏差。

图1 多波束测深系统组成

图2 两次水下地形对比图

(2)发射换能器向水底投射出10°～160°宽的覆盖扇区，接收器同时形成256个动态聚焦波束，横向波束宽度0.5°。波束后向散射强度图像和检测到的距河床底距离实时显示在声呐监视器上，且便于快速质量检查。

(3)众所周知，测量船只的运动姿态对水下测量的数据影响很大，多波束测深系统在测量前和测量时，光纤罗经和运动传感器实时采集船行姿态数据，PDS2000采集软件同步记录船姿态信息，并对船行姿态进行实时校正，进而保证后处理中的水深测量数据能够真实有效地反映水底情况，而单波束在这方面是无法实现的。

(4)CARIS HIPS后处理软件功能强大，可以根据需要抽取不同比例尺的数据成图，生成的图件类型有：测深数据图、水深等值线图、三维数字地形模型(DTM)图、彩色水深图以及成果报告和质检报告等。

2 多波束测深系统应用于采砂管理量化监测

传统的航道水下监测方法大多是采用单波束测深系统完成的，它是一种线状反映水下地形的手段，工作量大且精度有限，难以胜任大比例尺和特殊要求的水下地形测量任务。而多波束测深系统具有测量快捷、高分辨率、高精度、全覆盖等特点，可以现场监视水下地形地貌的细微变化，非常适合水下工程及航道的监测任务。在此背景下，采用多波速测深系统对区域航道进行数字化、信息化监控管理就显得尤为重要。

在数据处理方面，传统的处理方法是通过构建Delauny三角网或Grid规则格网来形成水下的DTM，再通过分块处理、四叉树索引来达到水下地形多尺度LOD显示的效果。但是针对区域河段采砂行为的量化监测而言，其核心思想并不是可视化，而是周期性地监测河段砂量开采的变化情况，同时考虑到水下地形数据具有多样性、海量性、复杂性等特点以及提高计算效率减少计算机功耗等目的，本文采用对离散点云数据进行插值拟合而非构建DTM的方法来处理不同时间采集的多波束水下地形数据，能够保证有足够的水深值来进行数据插值，保证结果的正确性且不失真。在此基础上，对拟合曲面进行求差计算，从而得出阶段时间内航道地形的变化量。

图3 特征断面示意图与变化对比

采集得到的这些多波束点云数据属于大规模离散数据的一种，在这些海量的点云数据当中，偶有临近点间的高程突变(局部不连续)，但根据水下地形的特点分析，这些水下高程点的突变一般不是由水下地形的陡然起伏所造成，更为可能的是测量时产生噪声点或无效数据点，需要通过滤波处理去掉无效点。

经过滤波后的离散数据点的曲面重建一直以来是函数逼近论的一个重要研究内容。近几年来，随着计算机辅助设计与图形学的发展，离散数据的曲面重建技术得到了广泛的研究和应用，离散数据拟合或插值是用一个光滑的曲面或通过一系列无规则的抽样数据来逼近。

在尽量减少计算机损耗和提高计算效率的前提下，海量离散点云数据的曲面拟合可以归结如下:给定有限点集(xi，yi)，(i=1，…，n)，以及相应的值zi=f(xi，yi)∈R，Ω∈R2是平面的一个界限域，要构造一个曲面S:Ω→R，该曲面S应当尽可能地符合以下目标。

(1)S应当逼近数据，例如，S(xi，yi)≈zi。