T_CI 143-2023 陡深型水库多波束测深技术规范.docx

ICS17.020CCSP 11 团体标准T/CI 1432023陡深型水库多波束测深技术规范Technical specification for multibeam echosounder in steep-depth reservoir2023 - 09 - 25 发布2023 - 09 - 25 实施中国国际科技促进会发 布目次前言II1 范围12 规范性引用文件13 术语和定义14 一般要求25 测量要求26 数据处理57 资料检验68 成果资料6附录 A（资料性） 多波束测深系统校准报告编写模板7附录 B（资料性） 多波束测深系统外业测量记录编写模板10参考文献12前言本文件按照GB/T 1.12020标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局提出。 本文件由中国国际科技促进会归口。 本文件起草单位：长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局、湖北海派海洋科技发展有限公司、长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局、长航检测科技（武汉）有限公司、中国三峡建工（集团）有限公司、武汉大学、中国水利水电科学研究院、成都理工大学、长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局。 本文件主要起草人：孙振勇、叶 飞、樊小涛、冯国正、张帮稳、陈绪刚、张振军、费新龙、熊荣军、孙爱国、赵慧明、杜泽东、杨容浩、王爱学、曹 磊、王赟锋、何友福、李 俊、刘少聪、胥洪川、金 奇、解祥成、刘 杰。 陡深型水库多波束测深技术规范1 范围本文件规定了陡深型水库利用多波束测深系统进行水下地形测量的一般要求、测量要求、数据处理、资料检验和成果资料等相关要求。 本文件适用于陡深型水库的水下地形测量、障碍物探测等工作，湖泊、河流等水域测深可参照执行。 2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件， 仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 50138 水位观测标准SL 257 水道观测规范 3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。 3.1陡深型水库 steep-depth reservoir河道坡度大于60、水深100m以上的水库。 3.2多波束测深技术 multibeam echosounder technology一种基于米尔斯十字交叉原理，以声学换能器实现波束的发射和接收，连同定位仪、姿态仪、声速剖面仪、罗经等外围辅助传感器设备实现对水底条带式测量并获取水深数据的技术。 3.3横摇偏差 roll offset多波束换能器和姿态传感器与船体坐标系横向轴线间存在的总偏差。 3.4纵摇偏差 pitch offset多波束换能器和姿态传感器与船体坐标系竖向轴线间存在的总偏差。 3.5艏向偏差 heading/yaw offset多波束换能器和罗经安装纵向轴线与船体坐标系纵向间存在的总偏差。 3.6 实时动态测量 real time kinematic（RTK） 采用载波相位动态实时差分技术能够在野外实时提供测点在指定坐标系中的三维定位得到厘米级定位精度结果的一种GNSS测量方法。 3.7 动态后处理 post processed kinematic（PPK）利用GNSS后处理动态测量功能收集野外测量数据，事后使用专用软件进行基线解算，以得到测点三维坐标的一种GNSS测量方法。 3.8声速剖面测量 SVP measurement利用声速剖面仪器对水体不同深度的声速进行垂直方向的观测。 3.9姿态运动传感器 motion（attitude）sensor3.10水位改正 correction of water level将测量水深值改正到从规定的深度基准面起算的深度。 3.11测量船坐标系 coordinate system of vessel以测量船上某点为中心建立的直角坐标系。 4 一般要求4.1 测量基准4.1.1 平面坐标系统及高程系统平面基准应采用“2000国家大地坐标系”(CGCS2000），如采用其它平面坐标系统需与CGCS2000系统建立联系。高程系统应采用“1985国家高程基准”。 4.1.2 深度基准对需提供水深成果的水域观测，应采用理论最低潮面作为深度基准面。其他地区可采用特定的深度基准面，但应建立与“1985国家高程基准”、理论最低潮面或航行基准面之间的联系。 4.1.3 时间基准所有测量记录及成果的时间系统应用公历纪元和北京时间（UTC+8）。也可根据项目需求采用其他时间基准。 4.2 测量精度要求4.2.1 测深精度水深测量极限误差应满足表1的要求。 表1 水深测量允许极限误差水深范围（m） 水深测量极限误差（m） 水深范围（m） 水深测量极限误差（m） H60 0.21 H60 0.01H 注1：表中H为水深。 注2：表中数值为进行了全部测深改正后的中误差。 注3：声速宜采用声速剖面测量。 4.2.2 测深水平分辨率多波束测深水平分辨率最小不低于所测深度的5%。 4.2.3 波束覆盖多波束水下地形测量应采用测量区域全覆盖测量方式。对全覆盖测量，除相邻测线应满足覆盖重叠要求，还应控制船速，确保船底垂直入射波束沿航迹方向满足全覆盖要求。 4.2.4 测幅覆盖相邻测线的测幅应保证不小于10%的有效波束测幅重叠覆盖。有效波束覆盖是在考虑测量系统性能、环境条件和精度情况下，剔除无效边缘波束的部分。 5 测量要求5.1 测前准备5.1.1 充分收集测区已有成果资料和开展实地调查。收集资料应包含测区控制成果、地形图资料、水文资料等。实地调查内容包括测区水流、过往船舶、水悬物分布、礁石浅滩分布等情况。 5.1.2 扫测前应根据已有成果资料、实地调查资料编制多波束扫测实施方案。 5.1.3 新测区扫测前宜布置小比例尺测图，其成果作为多波束扫测布线依据。 5.1.4 多波束测深前应使用声速仪校正声速。声速（或声速剖面）应在水深测量前、后各测定一次， 声速剖面发生显著变化时，应增加声速剖面的测定次数。 5.1.5 大区域测量时，测量前应在测区不同位置、不同时间段进行声速测量。春秋交替季节，适当增加声速测量密度。 5.1.6 多波束扫测前应量测动态吃水深。动态吃水深一般采用水准仪测量，也可采用多波束测深系统自身的水深测量功能确定。 5.2 仪器安装及校准要求5.2.1 多波束换能器应安装在噪声低且不容易产生气泡的位置，通常安装于船体的中间 1/3 处，安装时可使用水平尺进行角度控制，安装角度尽量控制在 2以内。 5.2.2 对于陡深型水库靠近边坡位置的测量，多波束换能器的安装宜采用倾斜安装的方式，倾斜安装角度一般为 30，具体可根据不同设备的技术要求执行。 5.2.3 姿态传感器应安装在能准确反映多波束换能器姿态或测船姿态的位置。对于非耐压水密的姿态传感器可安装于船体重心位置或尽量靠近换能器安装，安装位置不宜过高；对于耐压水密的姿态传感器可选择与多波束换能器进行刚性连接安装。 5.2.4 罗经安装时应使罗经前向方向指向船艏并与船的艏艉线方向一致，对于采用 GNSS 定向的，两个GNSS 天线间距应在 2m 以上，前后安装且高度尽量一致为宜。 5.2.5 定位设备的接收天线应安装在测量船顶部避雷针以下的开阔地方（30仰角之内无遮挡），且应避免船上其他信号的干扰。 5.2.6 系统各配套设备的传感器位置与测量船坐标系原点的偏移量应精确测量，读数至 1cm，往返各测一次，水平方向往返测量互差应小于 5cm，竖直方向往返测量互差应小于 2cm，在限差范围内取其均值作为测量结果。 5.2.7 系统安装以后，应测定多波束换能器的静吃水和动吃水。 5.2.8 系统各配套设备的传感器的位置变动或更换设备后，应重新测定和重新校准。测量期间如系统受到外力影响，应重新校准。 5.2.9 系统应定期进行误差测定与校准。单体船固定安装每年至少校准 1 次；双体船固定安装每航次至少校准 1 次；便携式安装每次安装后重新校准，未重新安装每月校准 1 次。 5.2.10 多波束测深系统设备安装完成后，应进行安装校准，安装校准包括定位时延、横摇偏差、纵摇偏差、艏向偏差等项目。多波束测深系统的安装校准要求应符合下列规定： a) 定位仪无秒脉冲(1PPS)信号输出应进行定位时延校准；具有秒脉冲(1PPS)信号输出，应设置时间同步； b) 定位时延校准应在特征水域(宜选择水下地形坡度 10以上或水下有礁石、沉船、沟壑等明显特征物)，利用同测线、同方向、不同速度(两次速度相差 1 倍及以上)2 次测量数据计算校准值，差值绝对值应小于 0.05s； c) 横摇偏差校准应选择在水深不小于测区内的最大水深、水下地形平坦的水域，单个换能器利用同测线、反方向、同速度 2 次测量数据计算校准值，双换能器应使用三根平行测线(间距为有效扫宽一半)交互方向、相同速度各测量一次测量数据，分别计算两换能器的校准值，差值绝对值应小于 0.05； d) 纵摇偏差校准应在特征水域，利用同测线、反方向、同速度 2 次测量数据计算校准值，差值绝对值应小于 0.3； e) 艏向偏差校准应在特征水域，利用不同测线(测线间距约为多波束有效覆盖的 2/3)、反（或同） 方向、同速度 2 次测量数据计算校准值，差值绝对值应小于 0.1； f) 安装校准值计算按照定位时延、横摇偏差、纵摇偏差、艏向偏差顺序进行，每个校准值至少有 1 组多余观测。 5.2.11 系统的校准参数应经过校核确认，参数一经确定，不应随意修改。 5.2.12 系统的各项安装参数、校准参数、精度比对结果应在“多波束测深系统校准报告”准确记录，。技术主管部门应对“多波束测深系统校准报告”进行审核。 5.3 测深线布设要求5.3.1 测深线布设应根据测区水深分布情况，在保证测量质量和全覆盖要求基础上布设。 5.3.2 主测深线布设方向应按工程的需要选择平行于等深线的走向、潮流的流向、航道轴线方向或测区的最长边等其中之一布设。 5.3.3 主测深线的间距应不大于有效测深宽度的 80%。在重要航行水域，测深线的间距应不大于有效测深宽度的 50%。有效测深宽度根据仪器性能、回波信号质量、潮汐、测区水深、测量性质、定位精度、水深测量精度以及水深点的密度而定。 5.3.4 确定测深线长度时，应综合考虑水位改正、声速变化、数据安全维护等因素。 5.3.5 检查测深线应垂直于主测深线均匀布设，并至少通过每一条主测深线一次；检查测深线总长应不少于主测深线总长的 5%；检查测深线采用单波束或其它多波束测深系统进行测量，当使用多波束测深系统做检查测深线测量时，应使用其中心区域的波束。 5.4 施测要求5.4.1 作业前应对系统设置的投影参数、椭球体参数、坐标转换参数以及校准参数等数据进行检查。 5.4.2 每天作业前和作业后，应分别量取系统多波束换能器的静态吃水值，如发生变化应在系统参数中及时调整。 5.4.3 在测量前，应将测量范围、水下障碍物、助航标志、特殊水深等信息数据输入到系统中。 5.4.4 系统的所有设备稳定工作后，方可进行测深作业。在正式采集数据之前，应按预定的航速和航向稳定航行不少于 1min；在数据采集过程中测量船应保持均匀的航速和稳定的航向。 5.4.5 在测量过程中，应实时监控测深数据的覆盖情况和测深信号的质量，当信号质量不稳定时，应及时调整多波束发射与接收单元的参数，使波束的信号质量处于稳定状态。 5.4.6 在测量过程中，对测量船的航行速度应进行实时监控，测量时的最大船速按公式(1)计算： 𝑉 = 2 𝑡𝑎𝑛(𝛼/2) (𝐻 𝐷) 𝑁 (1) 式中： V 最大船速，单位为m/s； a 纵向波束角，单位为； H 测区内最浅水深，单位为m； D 换能器吃水，单位为m； N 多波束的实际数据更新率，单位为Hz。 5.4.7 在测量过程中，应实时监测系统各配套设备的传感器运转、数据记录等情况。当现场质量监测不符合要求时，应停止作业。如果系统发生故障应立即停止作业，待查明原因并对相关设备进行检测和校准后方可继续作业。 5.4.8 作业过程中应现场填写“多波束测深系统外业测量记录”表，见附录 B，真实记录外业测量中检查、比对、发生的各种事件及系统的关键参数设置。 5.4.9 每天测量结束后应备份测量数据，核对系统的参数并检查数据质量。发现水深漏空、水深异常、测深信号的质量差等不符合测量精度要求的情况应进行补测，如发现障碍物应从不同方向利用多波束中间区域的波束进行加密测量。 5.5 声速测量5.5.1 声速测量可采用声速剖面仪直接测定声速或通过测定水体温度采用经验公式计算声速。 5.5.2 采用温度计量测水温时，应将温度计入水 1m 以上，时间不小于 7min，测量 2 次，取平均值作为水体的水温。 5.5.3 对同一河段不同测次进行声速测量时，宜采用同一种观测方式进行观测。 5.5.4 当水体温差大于 3、水深大于 60m 时，应使用声速剖面仪测量声速剖面。根据观测的各水层声速按公式（2）计算垂线平均声速。 𝐶= 𝑗1𝐶𝑗+𝐶𝑗+1𝑁1式中： 𝑚𝑗(2) 𝑑𝑗,𝑗+1𝑗1 𝑑𝑗,𝑗+1 (2) 𝐶𝑗按厚度d选取的声速仪测得的相应深度的声速； 𝑑𝑗,𝑗+1为各水层的厚度； N 在声速仪测得的声速剖面选取的声速总个数。5.6 水位观测5.6.1 水深测量应同步观测水位。水位站的布设和观测按 GB/T 50138、SL 257 执行。 5.6.2 水位观测精度应不低于五等几何水准要求，特别困难测区可适当放宽。 5.6.3 临时水位站（水尺）应充分反映测区的水位变化过程便于水位观测和水准测量。 5.6.4 水尺零点高程应采用不低于五等几何水准或与其同等精度的其他方法观测。易沉降区，水尺零点高程设置超过 48h 应进行校核。 5.6.5 水位站宜布设在同岸，上、下游临时水位站间距不应超过 5km，遇到有湾道、陡坎处应加设临时水位站，保证水面纵比降在不大于 0.20m/km；两岸水位差大于 0.1m 时，应在两岸设立观测水尺。 5.6.6 水位观测宜采用北京时间，同步测记水位，水位观测值应精确到厘米。 5.6.7 水位应采用人工观测或自记观测。采用水位自记计观测水位应在测前、测中、测后与人工观测比对。 5.6.8 水位观测频次应根据测区内水位变化速度而定，水位平稳期应在每天工作开始、中间和结束观测水位各一次，水位日变幅小于 0.2m/d 时，可在工作开始、结束观测水位；水位变化快或有急剧跌水， 则应增加水位观测次数，水位观测频次以水位变幅不超过 0.2m/10min 为原则；受水工建筑物泄流影响的区域宜每 10min30min 观测水位一次。 5.6.9 当上下游接测水位落差小于 0.1m 时，取平均值作为水位改正数；当水位落差大于 0.1m 时，应分段配赋，或根据情况进行线性内插。 5.6.10 也可采用 RTK 无验潮方式，但应确保其高程精度满足测量要求并做好原始 GNSS 数据的记录。 5.7 数据检测要求5.7.1 多波束测深数据应进行停泊精度检测和检查线检测和测线间水深数据重复度检测。 5.7.2 停泊精度检测应在测量开始、结束时进行。超过 10 个工作日的水下测量期项目，应在开始测量后第 5-7 个工作日进行一次停泊精度检测。仅检测中央波束区水深精度。 5.7.3 检查线检测时应注意： a) 检查线布设应与主测线方向垂直，检查线数应不少于 2 条； b) 检查线水深可使用单波束测深仪测量； c) 检测线水深数据与所跨跃的主测线水深数据之间的水深偏差，95%置信度的标准偏差应小于1/4 基本等高距。 5.7.4 测线间水深数据重复度检测。相邻测线间水深数据应有 10%30%的重复率。 6 数据处理6.1 数据处理之前，应先对原始数据进行完备性和一致性检查，并对数据处理软件中设置的坐标系统、投影参数、坐标转换参数、各传感器的位置偏移量、系统校准参数等相关数据的准确性。6.2 数据处理时，应结合外业测量记录表，根据需要对水深数据进行吃水改正、姿态改正、声速改正、水位改正等；对每条测深线的定位数据、罗经数据、姿态数据和水深数据分别进行编辑。 6.3 水深数据编辑时应选择合理的参数滤波，进行人机交互处理。 6.4 在数据经过编辑及各项改正后，应再次对所有的水深数据进行综合检查，根据各水深的传播误差及附近的水深利用表面模型进行评估，剔除不合理水深数据。 6.5 测量数据应及时备份。备份数据应包括原始数据文件、声速剖面文件和系统参数文件等，应在不同的存储介质中同时保存至少 2 个相同的数据备份，备份数据应统一标识，标明项目名称、数据内容、编号和日期等信息。测量负责人应对所有备份数据进行检查，确保数据的完整性。 6.6 经确定的水深特殊浅点应以该点为中心按要求绘制水深图和水下数字地形模型图。6.7 主、检比对重合点的水深，不符值限差按公式（3）计算，当水深比对不符点超过参加比对总点数的 15%时，应综合分析超限原因,合理处置，必要时应重测验证。 𝜀 = 2 𝛥 (3) 6.8 6.8D测深准确度的极限误差，单位为米（m）。资料检查中发现下列问题时应进行补测或重测： ）； a) 测量区域内水深漏空或相邻测深线的重叠带宽度不符合规定； b) 水深异常、信号质量不满足测深精度要求等情况； c) 使用的系统未按规定校准或比对精度超限； d) 测量船速超过最大限速； e) 水位控制、观测资料不符合有关测量规范的要求； f) 主、检比对超限的点数超过参加比对总点数的 15%； g) 相邻测深线或不同测量日期所测水深拼接误差超限； h) 存在疑问的特殊浅点未进行加密测量或虽经加密测量但仍不能确定； i) 出现其它需要补测或重测的问题。 7 资料检验7.1 多波束测量成果资料的检查应遵循“两级检查一级验收”流程。 7.2 两级检查应结合校准报告、外业测量记录、数据处理记录对全部资料进行 100%的检验，重点检查船型文件参数配置、传感器数据、水深覆盖情况、构面的条带拼接、特殊点的处理、成果主检比对等。 7.3 测量成果在自检和质检部门的检验基础上，还应检查以下测量资料： a) 全数复核测深仪器及辅助仪器的鉴定证书、检验精度检测记录文件； b) 全数复核测量辅助船舶位置记录符合性；抽查复核测线布设、测线间距设置与测量的符合性比例不低于 30%； c) 复核测深数据采集软件适用性； d) 全数复核静态与动态吃水深、声速剖面、姿态改正及测量系统时延检测记录及设置文件； e) 水深测量要求、测深系统设备安装、测深系统测船坐标系统、测深系统校准观测与计算、测深系统外业操作、测深系统波束数据质量要求； f) 全数复核测深检测、成果重测与取舍的符合性； g) 全数复核高程精度统计成果； h) 检查验收意见及精度评定结论。 7.4 各级检查、验收中，如发现成果不符合要求时，应退回上道工序重新处理。 8 成果资料作业部门应上交以下测量资料： a) 水位控制、观测和改正资料； b) 主、检测深线比对资料； c) 定位比对资料； d) 水深特殊浅点的水深图和水下数字地形模型图； e) 水深测量外业报告图； f) 测量轨迹航迹图； g) 原始数据、项目中所用到的过程数据、水深成果数据； h) 声速测定数据文件； i) 测量技术总结； j) 其它资料。 AA 附 录 A（资料性）多波束测深系统校准报告编写模板多波束测深系统校准报告封面样式见图A.1，多波束测深系统校准报告内容样式见图A.2。 多 波 束 测 深 系 统 校 准 报 告 项目名称 测量比例 测量日期 作业部门 测量主管 技术主管 （单位） 图A.1 多波束测深系统校准报告封面样式测量传感器 测量传感器在测量船坐标系的位置 X Y Z 多波束换能器 姿态传感器 定位天线 罗经 安装示意图 多 波 束 测 深 系 统 校 准 报 告一、测量设备及安装位置1、测量设备测量船名： 测量设备仪器型号仪器机号多波束测深系统 定位设备 姿态传感器 罗经 2、测量传感器安装位置一、测量设备及安装位置1、静吃水（单位为m） 2、动吃水 测量船速 m/s 动吃水 m 图A.2 多波束测深系统校准报告内容样式三、定位设备静态定位中误差已知点名称（等级） 已知点坐标 静态定位中误差 m X Y 四、多波束测深系统校准结果校 准 地 点 ： 校 准 日 期 ： 校准项目 校准值 备注 横摇偏差(Roll Offset) 纵摇偏差(Pitch Offset) 艏向偏值(Yaw Offset) 双多波束换能器间垂直高度差值 m 注：“备注”里填写每个校准项目的水下地形环境、使用的波束数及有效测深宽度。 五、比对统计结果统计类型 比对总点数 超限点数 超限点百分比 综合测深误差统计 与单波束测深比对统计 校 准 者 ： 校 核 者 ： 图 A.2 多波束测深系统校准报告内容样式 （续）B 附 录 B（资料性）多波束测深系统外业测量记录编写模板多波束测深系统外业测量记录封面样式见图B.1，多波束测深系统外业测量记录内容样式见表B.2。 多 波 束 测 深 系 统 外 业 测 量 记 录 项目名称 测量比例 测量日期 作业部门 测量主管 技术主管 （单位） 图B.1 多波束测深系统外业测量记录封面样式点 号 B/x L/y 测量分区说明： 测量导航参数 测量坐标系 投影类型 中央子午线/基准纬线 测量所用相关文件 测深线文件名 背景文件名 格网文件名 其它： 多 波 束 测 深 系 统 外 业 测 量 记 录一、测量范围二、测量设备测量船名： 测量设备仪器型号仪器机号多波束测深系统 定位设备 姿态传感器 罗经 声速仪 潮位仪 三、测量导航所使用的相关参数及有关的文件记录四、施测记录日 期 ： 天 气：多波束换能器静吃水(m)： 第_ 页 测深线号 开始时间 结束时间 航向 航速 操作者 备注 其它： 图B.2 多波束测深系统外业测量记录内容样式参 考 文 献1 GB 12327 海道测量规范 2 GB 17501 海洋工程地形测量规范3 GB/T 24356 测绘成果质量检查与验收4 GB/T 39619 海道测量基本术语 5 CH/T 1004 测绘技术设计规定 6 DZ/T 0292 海洋多波束水深测量规程7 JTS 131 水运工程测量规范 8 JT/T 790 多波束测深系统测量技术要求