多波束海洋测绘的误差来源及控制

多波束海洋测绘的误差来源及控制

孙德鹏

青岛振帆工程科技有限公司 山东青岛 266100

摘要：在科技水平不断提升的背景下，测量技术的发展也在随之改进，呈现出现代化的趋势。多波束便在分辨率、覆盖率等方面表现出更为明显的优势，可广泛应用到工程实施、水下目标探测等多个领域。

关键词：多波束海洋测绘；误差；控制

引言

海洋测绘结果的准确性，主要在于应对海洋紧急情况的措施是否得当。在测量技术不断发展的背景下，所应用的测绘方法也随之变化。多波束系统可广泛应用于海洋测绘工作中，能够在应对海洋紧急情况时发挥较为理想的功能。本文便以多波束探测系统在海洋测绘工作中的运用为例，侧重分析多波束系统在测绘工作中所发挥出的功能。

1多波束测深技术优势

该探测系统主要依据多波束理论，在对海底进行探测时可基于回声来探测地貌情况，形成专业的地图系统。系统运行期间，可综合发挥网络、传感和导航定位等多种功能，共同高效完成海底测绘工作内容。系统声波可基于转换器，针对目标声音实施收发。同时运用不同的传感设备对波束的检测点位置进行计算，从而得出与航向垂直的水深数据指标。系统自身可对回声进行处理的设备较多，其中数字磁带便可依据现有的模式完成导航、摇摆、水深及船的物理距离等参数的搜集，在此基础上实现更为细致的数据分析和处理。数字打印机可实时监控目标数据的变化形态，计算机可依据相应的工作程序对数据进行分析。数字绘图机可依据经过纠正的航线来绘制等深线图，从而对海底的具体地形情况进行判断。显示设备可对系统输出的数据进行检测，从而显示出检测目标的横向截剖面情况。相较于探测宽波束设备，多波束探测系统的波束较为狭窄，且实施效率较高，能够更为准确地探测出在航行期间遇到的障碍物位置，通常用于较大范围的测量工作，如航道或者海上工程实施等。此外，系统还可以三维形式显示海底的实施情况，从而在使用侧扫声呐期间实现精准度更高的判断。此外部分系统还可用于冰覆盖的海面区域完成探测工作，对微地形的探测技术水平更高。波速的开角更小，从而实现更高水平的探测效果。单表述的开角可为8°，多波束仅为0.5°-1°左右，这便促使同一发射扇面的波束量更大，从而细化地形监测的结果。单波束仅可通过提高测深比例的方式来提升测点的密度，波束性能也相对较低，因此在具体应用时其效果也明显不如多波束的探测。

2多波束海洋测绘的误差来源及控制

多波束探测技术的外部影响因素主要包括在探测期间，由于水介质的运动及探测基面发生的变化多导致的多波束影响。主要有潮位变化、换能器吃水和水介质声速等方面的变化。可见多波束相应的数据更正主要为潮位、换能器和水介质声速等方面。其中潮位和换能器吃水在更正方面主要通过对数据进行预报或者实测来对深度指标进行更正，在对声速进行更正时，介质声速不但会受到水团运动的影响，同时不同的声速结构还会直接影响到波束射线的空间路径情况，因此该指标也是更正数据中最为关键，同时也是控制难度最高的影响因素。下文主要结合声速结构和时空变化对测量结果的精度影响情况进行分析，同时基于实例数据侧重指出其功能和相应的技术手段。

多波束系统主要通过海水来对声波进行传输，同时可在海底进行反射和散射，将所能接收的信号按照声速剖面折算成深度和侧向水平的距离数值，从而海水声速剖面和结构的变化可对测量精度及控制工作更为关键。图1为测船姿态对坡面测深数据的影响。

图1测船姿态对坡面测深数据的影响

2.1声速剖面结构变化的影响

通常海水声速结构可分为下述几种：等速均匀层结构、随深度增加的线性递增型结构、随深度减少的递减型结构和不等速均匀层跃层结构。导致声速结构不同类型的主要原因为四种类型的复杂组合和叠加效果。不同的声速结构所使用的波束路径不同，声速结构产生的差异可通过声线弯曲来影响海底测试的精度水平，这便导致海底形态发生变化。

2.2声速剖面时间变化的影响

在水团运动和层化发生改变的基础上，即便同地点在不同声速剖面方面也会形成较大的变化。与声速剖面结构变化的影响效果相同，声速剖面的时间变化也可能对多波束的测量精度产生直接影响。

2.3声速剖面空间变化的影响

水团性质存在差异，且流场和流态等方面不同，声速剖面在同一时间的不同地点也会存在差异，有时变化幅度较大，尤其在河口区域。针对加拿大Halifax Appoaches河口区的声速进行研究时发现，距离10km的两点除了表层声速相同，声速剖面的其他部分在结构方面已经明显存在差异。通过对声速更正误差进行分析可知，如果不使用新的声速剖面，则角度高于60°的波束均难以达到精度要求。为保障测绘的精度水平，便需使用较窄的扇区开角，否则便需使用实地的声速剖面。

3多波束测深技术在海洋测绘中应用分析

3.1海图测绘工序改进的探索

海图的更新时间较长，通常频繁应用到港口的可每四年更新一次即可，使用频率一般的区域可每八年更新一次。在航道优化期间，上述数据的更新频率难以与建设速度相符，同时也会对通航形成一定的安全问题。其次，当前单波束在海图测绘工作中的使用频率较高，测深比例也在中小级别。海港内测深为1∶5000，近海为1∶15000，外海为1∶40000，这种数据显然无法达到工程的实施标准。多鄙视测深宽度可达水深的4倍，且在实施效率方面表现出明显的优势，覆盖面积可全面迎合施工要求，这是单波束难以匹敌的，因此需加大多波束的使用频率，以此优化海图测绘工作的质量。

3.2多波束测量技术测量精度调整

为获得更为精准的海底投射方位，同时能够准确设置波束间的空间关系，需先对测船坐标进行更为准确的定位。所安装的系统换能设备不论为哪种类型，待测船的位置均需保持相对固定。因此在使用多波束实施勘测时，多将测量船作为考察的对象。在波束空间对角度进行表达相对便捷，因此测量船当中的坐标点通常会设置在换能器的中心，船的垂直方向为纵轴，横向左舷是横轴。此外船中轴平行位置可安装运动传感的设备，有效探测各测深位置与船定位的关系，此外还可随时对船只提供补给。这样所获得的定位数据便具有更高的精准性，经过精密测量后也可构成系统的坐标体系。

结束语：

总之，通过以上分析，从多方面探索了多波束海洋测绘的误差来源及控制措施，希望分析能进一步提高海洋测绘过程多波束海洋测绘技术的应用水平。

参考文献：

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