利用Sonic 2024多波束数据计算疏浚土方量

利用 Sonic 2024多波束数据计算疏浚土方量

李玉海

山东正元数字城市建设有限公司， 264670

摘 要：本文主要介绍了常用的土方量计算方法、多波束数据处理，并通过同一区域不同时间测量的多波束数据计算疏浚的土方量，说明利用离散的水深数据和Cass软件可以有效统计疏浚的土方量。

关键词：Sonic 2024；多波束；疏浚土方量

1、引言

近些年，随着国家对海洋开发的重视和相应海洋政策的出台，沿海地区加强了对港口的开发进度，对海底地形数据的需求日益增长。多波束测深系统具有全覆盖、高精度和高效率的特点，越来越多地应用于泊位以及港口维护疏浚工程中，尤其在疏浚工程水下土方量的计算方面, 通过水深测量获得的数据是疏浚土方量计算最最基本的原始数据。

本文结合航道疏浚的实际工作，详述了常用的土方量计算方法、多波束水深数据的处理，并结合航道疏浚前后的水深数据利用CASS软件中的数字地面模型（DTM）法计算疏浚的方量，最后通过CARIS HIPS生成疏浚前后水下地形的三维图像，直观地了解了疏浚前后的情况，验证了利用离散的水深数据和CASS软件计算疏浚方量的可行性。

2、土方量计算方法

疏浚土方量计算是航道疏浚工程的一个重要组成部分，是工程预算和工期的重要参考因素，直接关系到工程造价，建设方和设计单位一般都会将疏浚土方量的计算作为衡量工程进度和工程效益的重要指标因素，因此，作为疏浚土方量计算最原始数据的水深测量数据，在水下疏浚土方量计算方面显得极其重要。由于航道疏浚后的不可复原性和疏浚土方量的统计存在误差，容易在甲方和疏浚方之间产生经济纠纷，因此选用合理的疏浚土方量计算方法将疏浚土方量的计算误差降到最低，是工程技术人员需要认真研究探讨的问题^[5]。

疏浚土方量的计算是个复杂的问题，会受到水下地形坡度、水下地形的复杂性、海底底质条件、水深数据误差和计算方法等因素的影响。目前疏浚土方量计算的基本方法有方格网法、断面法、等深线法以及数字地面模型(DTM)法。

方格网法是疏浚土方量计算最基本的方法之一。该方法计算疏浚土方量时，通常将疏浚区域分成规则的矩形地块，细分到每一网格的水深相等^[1,5]，其基本原理是：根据实际测定的水深数据（X，Y，Z）和设计水深值，在水深图指定范围内绘制方格网，将方格四个角上的水深值相加（如果角上没有水深点，就通过周围水深点内插得出），取平均值与设计水深相减，计算出每一个方格的疏浚深度，再乘以每个方格的面积，求出每个方格的疏浚方量，最后累加计算出指定范围内疏浚方量。

断面法是根据计算体积的范围，以一定的间距等分场地，并作断面；按照设计水深与水下地面线所组成的断面图,计算每条断面线所围成的面积；以相邻两断面面积的平均值乘以间距^[2],得出相邻两断面间的体积，再通过累加计算整条线路需要疏浚的土方量。计算公式为（A1+A2）/2×D，其中，A1、A2分别为断面1、断面2的面积，D为两断面间的距离。

等深线法是利用图上封闭的等深线来计算土方量，先计算出两条相邻等深线所围成的面积，乘以这两条相邻等高线间的水深差值，求出这两条相邻等深线围成的区域需要疏浚的土方量，再通过累加计算出指定范围内需要疏浚的土方量。

数字地面模型（DTM）法是根据实测水深点坐标（X，Y，Z）和设计水深，生成不规则三角网来计算每个三棱锥的疏浚方量^[4,5]。采用DTM法时，水下地形被模拟成许多不规则的三角形斜面，每个三角形覆盖的范围就是体积微元，每个体积微元的地形被简化成三棱锥，通过计算每个三棱锥的疏浚方量，最后累加计算出指定范围内的疏浚方量。

在实际生产应用中,不同方法计算的同一位置的疏浚土方量不同,所以不同方法计算疏浚土方量的精度不同，不同方法的适用范围也存在差别^[4]。方格网法原理简单容易操作，适用于地形起伏较小的平坦区域的土方量统计。断面法计算简便实用,其计算精度跟相邻两个断面间距有直接联系，但该方法局限性较大，适于地形起伏较大、条带状工程的土方量计算，可以用于整个航道的疏浚量粗略估算，对于航道内区域的疏浚土方量计算，此方法计算不够精确。等深线法计算繁琐，而且必须用封闭等深线才能计算，实际测量时很难满足要求，故等深线法局限性很大，只在工程概算时使用^[4,6]。

DTM法利用原始水深数据作为三角网的结点,每个三角网都是由实测水深点连接而成，能较好地反映水下地形地貌特征，不改变原始水深数据的精度, 能够保存原有水下地形的关键特征,因此计算精度高，适用范围最广，能很好地适应复杂、不规则地形，是疏浚土方量计算中最常用方法之一。本文以航道内疏浚前后的水深数据为基础，利用DTM法对测深区域进行不规则三角网构造,分别计算每个不规则三角网至理论最低潮面的水体方量,两次水体方量的作差结果即为疏浚土方量。

3、多波束数据处理

采用《CARIS HIPS and SIPS 7.1》处理软件对采集到的多波束原始数据进行后处理,主要分为以下几个步骤:

a、数据准备:新建船配置文件,新建工程项目,多波束原始数据转换,新建声速文件,新建潮位文件；

b、安装校准：根据校准测线数据求算多波束换能器安装校准值，并对测线数据应用安装校准值；

c、数据处理：对改正后数据进行数据滤波、线模式编辑和子区编辑，删除边缘波束、多余数据、干扰信号；

d、水深数据输出：将处理结束的数据采用《CARIS GIS 4.5》软件进行水深数据的压缩、提取，输出仅包含位置信息X、Y和水深信息Z的文本数据，输出比例尺为1：1000的水深图。

为了直观了解疏浚前后的水下地形效果，建立疏浚区域的base surface，生成水下三维效果图形，如图3-1所示，左图为航道边坡疏浚前效果图，右图为航道边坡疏浚后效果图，疏浚采用抓斗式挖泥船作业。

图3-1 航道边坡疏浚前后水下三维效果图

4、疏浚土方量计算

本文提出的基于多波束离散水深点的疏浚土方量计算方法，该方法的基本思想是：首先，获取同一区域疏浚前后的水深数据，并确定疏浚土方量计算的区域边界线，选定比较的区域面积为1900.587平方米；其次，采用Cass软件中DTM计算土方量功能，设置平场标高为0，采样间隔为10m，系统自动构建不规则三角网，如图4-1（左）所示，分别计算疏浚前后两次所需的填方量；最后，通过两次填方量作差结果即为疏浚的土方量，两次填方量作差确定本次疏浚的土方量为597.7立方米。

图4-1 DTM法计算疏浚土方量

5、结论

本文以实际工作中航道疏浚为例，详述了目前土方量计算中常用的几种方法，并以Sonic 2024多波束测量的同一区域疏浚前后的水深数据为基础，利用Cass软件土方量计算中的DTM模块，计算此次疏浚的土方量，并通过水下三维效果图的生成直观反映疏浚前后的水下地形变化情况，验证了利用水深原始数据计算水下疏浚土方量的可靠性，为多波束在水下疏浚进度和疏浚效果监测、疏浚量计算和回淤监测等方面应用提供了前景。

参考文献：

[1] 王先鹏, 曹荣林. 土方量计算的原理与方法及ArcGIS 的应用前景[J]. 地理空间信息,2009,7(8)

[2] 陈黎阳. 土石方测量计算方法比较研究[J]. 现代测绘,2010,33(5)

[3] 李建飞, 秦岩宾, 齐中举. 基于CASS 的土石方多种计算方法与比较[J]. 测绘工程,2012,21(3)

[4]冯琼瑛，肖敏，杨锋等，CASS7.0 土方量计算方法分析比较[J].地理空间信息，2014,12(6)

[5] 沈铭,肖建红,张勤丽, 浅析基于南方Cass 软件的土方量计算[J].资源环境与工程，2012,26

[6] 夏春初，邵成立，利用CASS7.0 计算土石方的探讨[J].测绘通报，2012