基于多波束测深的海洋测绘技术分析

基于多波束测深的海洋测绘技术分析

苏珊杰

广东邦鑫勘测科技股份有限公司广东省广州市

摘要：在社会经济蓬勃开展的时代，人类关于对海洋测量的要求越来越高，传统的水下单波测量系统已经满足不了人们对水下地形测量的需求，多波束测量系统的出现带来了新的篇章。现在,这项系统不仅在海洋领域内得到应用,同时也在人们的生产生活中发挥着独一无二的作用，为人们向海洋深度和广度进军提供了技术保障。

关键词：多波束测深；海洋测绘；技术分析；多波束测深系统；

海洋测绘是海洋测量工作中最基本的任务，是海洋科技的组成部分。现在，海洋科技的进展到了最重要的开发阶段。所以我们要大面积全方位的开展海洋建设工作,对传统的工作方式进行创新，建立出一套新的适应海洋发展的测绘数据理论,开创出多种类的海洋自然地理要素，对海洋产业进行针对性的课题研究，为海洋产业的经济发展提供相应的保障。

一、多波束测深系统

（一）多波束测深系统是现代勘测海洋世界的一种新型技术，它结合了GPS定位技术，计算机技术，数字化技术等多种技术。它的工作原理主要是利用声波技术精准地描绘出海底世界。多波束测深系统与单波束系统相比，具有对海底世界的测量范围更大，勘测速度更快，准确率更高等优势。多波束测深系统的使用是安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的海底发射超宽声波束,接收海底反向散射信号，将模拟数字信号转换成多个波束,这样我们就同时获得几十个甚至上百个海底条带上采样点的水深数据,进一步保障了大范围的扫幅和较高的测点密度，再与导航定位系统连接起来，就可以精准的测定出一定范围内海底下测量对象的状态,从而精确可靠地描绘出海底地形地貌的精细特征！

（二）测深时，当多波束测深系统恣意发射出一个声脉冲时，船上的人不仅能够获取船下面的垂直高度，还可以同时获取与船前进方向垂直的方向上一定范围内的几十个测量值。多波束测深系统一般由窄波束回声测深设备和回声处理设备两大部分组成。多波束测深系统的辅助设施有很多，例如数字磁带机能够按照固定形式记载时间，导航，以及对每个波束测量结果进行后期的处理，并用数字打印机对一切数据实施监控；计算机能够设定一种程序，使人们在船上就可以依照这种程序对数据进行实时处理；数字绘图机可以及时地将海底地貌描绘出来；声速剖面仪实时测量声速在海水中的传播速度并传播给多波束测深系统主机进行声速改正；电罗经实时测量船的空间状态进行姿态改正等。多波束数据处理子系统,主要担任声波信号、GPS定位和潮位等测量数据的统一处理,最终完成波束足迹的坐标和深度的测量。

二、海洋测绘技术的特点

（一）可以将船的平面位置与所在点的水深深度同时测量。

（二）由于海洋测量时空间范围较大，所以海洋无线电在测量距离时需要使用低频电磁波，测量时采用低频电磁波发出的声波作为信号源。

（三）影响海洋测深的因素有潮汐、海流、盐度和温度等，所以我们在测量时必须将这些因素考虑在内，采取相应的措施进行改正。

（四）海洋测量是在不断运动着的船上面进行的，海水具有流动性，因此必须考虑四维性。

（五）在对海洋进行测量时，由于多波束测深系统具有单一性，无法重复观看测量结果，因此为了提高测量准确率，还需要采用多种不同的仪器进行评估，从而产生同步多样性。

（六）海洋测量观测条件比较复杂，观测精度相对较低。

三、多波束测深系统在海洋测绘中的应用

（一）卫星定位技术

实时提供米级甚至亚米级的定位精度；GPSRTK技术应用于滨海断面测量、滩涂测量和水下地形测量。

（二）水深测量技术

水深测量技术的原理是利用声学探测技术，也就是所谓的单波束回声测深技术。多波束测深技术的应用使海洋测深有了新的方向并大幅度的提高了海洋测深效率。多波束测深技术将是以后海洋测量技术的重点发展方向。

（三）海洋遥感和卫星测高技术

海洋遥感技术的原理是利用传感器对海洋进行远距离的监测，来获得海洋状况，收取图像或数据资料等，目前已在岛礁定位、岸滩监测、岸线确定、浅海测深、航行危险区和他国非法占领海域等方面发挥着重要的作用。

（四）卫星测高技术的原理主要是利用人造地球卫星所佩带的测高仪来测量卫星到海平面的垂直距离有效波高和后向散射系数等。将这些数据进行处理分析，可用于研究全球海洋大地水准面、重力异常以及海面地形、海底构造等多方面的问题。

（五）数字海图和海洋测绘数据库技术

数字海图和海洋测绘数据库技术可以将在电脑的光盘、磁盘等储存的不可视的数字和图形数据转换成可视化的图像。

（六）海洋地理信息系统

海洋地理信息系统是将其自身属性与空间信息作为根本，将记录下的物种关系和演变过程进行储存，它拥有强大的显示和分析功能，为海洋环境建设、海洋资源的开发与使提供资源支持。

四、多波束测深系统的海洋测绘技术应用发展趋势

多波束系统在数据处理方面有待提高，发展比较缓慢，造成这种情况主要是因为多波束系统进行采集数据时，海洋环境十分复杂。海洋内还存在着一些不确定的因素，给多波束数据处理带来一些问题，这些问题主要表现在几个方面：

（一）确定声速及其对声线的影响是多波束测深系统的重点。对波束脚印的归位计算带来了困难。因为考虑多波束系统的应用范围广，涉及海域的水文因素变化复杂等特点，所以寻求一种适合多波束的最优声速经验模型已成为首要课题。声速可通过直接法获得。国内一些学者对声速断面测站的布置以及声速误差对深度的影响等方面进行了初步研究，这些研究对于减小声速断面的代表性误差，提高声速精度是非常有益的。声速在海水中的传播特性决定了实际声线为曲线而非直线。因此，为了得到波束脚印的准确位置，就需进行声线跟踪。现有的声线跟踪方法严格依赖声速断面，又对声速在传播层内的变化特征进行了比较好的假设，因此，计算精度远高于简单的三角法。由于多波束原始观测数据量大得惊人，现有方法虽然保证了声线跟踪的高精度，但耗时量大、过于依赖声速断面，因此，在保证计算精度的情况下，各国学者正致力于如何提高声线跟踪快速简捷算法的研究。

（二）多波束测深系统是由很多个传感器组成的，它的最终测量结果不但与系统自身的测量数据有关，还与辅助传感器测量参数有关。所以我们要大力开展GPS定位技术、声速改正技术、潮汐改正技术等与多波束测深系统相关的技术研究，这也是多波束系统处理数据所面临的主要问题。导航定位采用的是全球定位系统，它可在复杂的海洋环境中启用准确的目标定位功能，按照指定的工作模式进行绝对定位或者相对定位，提高导航定位的准确性。正常情况下全球定位系统的定位因素不存在距离的限制，所以非常适合多波束远距离的工作需求，这于远洋多波束测深的导航是具有重要应用价值的。

（三）在测量过程中，由于受噪声和海况的影响或者在设置参数不合理的情况下，都可能会出现一种假信号，这种信号可以形成虚假地形，从而使绘制的海底地形图与实际地形存在较大差别。我们必须消除这些假信号，因此对异常数据必须及时处理，剔除假信号。在某种特殊情况下，还存在较大的系统误差。所以我们需要对多波束系统中存在的各种误差来源进行分析，用半参数法最大限度地消除系统误差对测量深度的影响。

五、结束语

在未来，海洋测绘的发展方兴日盛,同时也会带来许多问题，这些问题归根结底是因为海洋问题产生。我认为,除了要对多波束测深系统的数据处理软件进行技术优化创新外,多波束测深前端的数据质量控制、后端的质量检核评估和多类别数字产品制作等,应当成为下一阶段我国多波束测深技术发展研究的重点方向。数据质量控制涉及仪器设备技术性能检验和校准技术手段的创新,需要有一整套精密的声学设备和较好的基础设施作支撑。在这种支撑下，与其他需要测量海洋要素的应用相结合,尽快建立起国家级的海洋测绘技术重点实验室，真正实现技术的进步以及为全人类服务。

参考文献：

[1]罗杰林.基于多波束测深的海洋测绘技术研究[J].科技资讯,2013(26):47-48.

[2]丁继胜,周兴华,唐秋华,等.基于等效声速剖面法的多波束测深系统声线折射改正技术[J].海洋测绘,2004,24(6):27-29.

[3]刘胜旋,屈小娟.多波束测深残余折射处理技术的对比研究[J].海洋测绘,2010,30(2):49-51.

[4]陆秀平,黄谟涛,翟国君,等.多波束测深数据处理关键技术研究进展与展望[J].海洋测绘,2016,36(4):1-6.

[5]袁延艺,刘晓,徐超,等.基于多波束测深系统的水下成像技术[J].海洋测绘,2012,32(4):29-32.