多波束测绘系统在现代海洋测绘中的应用探讨

多波束测绘系统在现代海洋测绘中的应用探讨

屈杨

天津水运工程勘察设计院有限公司 天津市 300450

摘要：海洋是一个极其复杂多变的环境，为了保障野外数据采集工作的顺利完成和减少突发事件的发生，本文对多波束测绘系统在现代海洋测绘中的应用进行简要探讨。仅供业内同行参考。

关键词：多波束测绘系统；现代海洋测绘；应用；

1 多波束测绘系统概述

多波束测深是海洋地质调查前期的一种重要的方法手段。多波束测线条带覆盖宽度与水深成正比，作业效率高，可对海底进行全覆盖测量，在海洋地质调查中具有不可替代的作用。高质量的多波束测深资料可提供可靠的海底地形地貌特征，为其他海洋调查方法手段（海底摄像、ROV、站位取样等）的开展以及后续海洋矿产资源勘探开发、研究利用和环境评价提供一定的基础支撑。多波束资料成果质量不仅与多波束测深系统自身测量精度有关，还与其他相关辅助调查设备的测量精度、水域环境、工作参数以及数据采集现场质量监控等因素密切相关。多波束原始数据质量将直接影响资料处理成果的质量，因此提高现场质量监控方法是获得高质量原始数据的一项重要措施。为了获得高精度、高质量的多波束原始资料，本文主要针对多波束数据采集过程中的关键问题，探讨了多波束数据采集现场的质量监控方法。

2 测绘实例的个案情况简介

2.1 个案基本情况

该个案的测量目的如下:1)任意角度倾斜测量采用倾斜测量的点云处理方案，对水下地形进行大冗余的倾斜扫描测量。保障任意角度测量数据的可靠性和一致性的平差条件下，获得高精度的浅水水底大面积高精度面图像。

2)航道水深测量沿规划航线进行航线两侧150m的水深加强测量，利用本案系统的多波束探深和侧扫功能，对航线两侧的浅水水底地形深度进行详细测量，在测量过程中通过提高安装校准、数据拼接平差等内业计算精度，同时增加测量平台的通过次数，获得超过1任务中测量结果精确度的测量结果。3)水下障碍物重点测量对发现的水下障碍物，进行基于多次通航和加大数据挖掘深度的强化重点测量，以确定水下障碍物的高度、体积、外形数据。

2.2 测量平台的搭建

通过控制5个GPS－ＲTK探头的高度差，将高程误差整合到±0.2m级别。这一测量策略在陆基测量中较难实现。因为本文的5个GPS－ＲTK探头，1个安装于船头甲板前缘，2个安装于船尾甲板后缘两侧，2个安装于通信桅杆两端。5个探头的最大水平距离为35m，最大垂直高程距离为7.3m，且基本固定5个探头的相对位置保持稳定，这给GPS－ＲTK的平差计算带来了较大优势，而陆基GPS－ＲTK平差计算的高精度结果一般只能达到±1.2m水平。

3 测量过程实录分析

3.1 倾斜测量过程实录

因为本文个案使用的海卓MS200可以任意调节发射探头和接收探头的发射和侦听角度，所以，面向陡峭水下断崖地形、水下构筑物等可以通过加大测量角度，使航线在不同角度、不同水平距离条件下多次通过待测量区域，从而获得更加精确的水下复杂地形测量数据。但对较平坦地形，则应保障船舶平台通过的角度和水平位移差距，确保水下扫描角度基本保持一致且具有一定的航线冗余和照射脚印重叠度。

3.2 沉船及水下构筑物扫测实录

通过海卓MS200提供的高分辨率高精细度的海底平面彩图，确定异常区域(一般为近似船型、矩形、圆形等规则形状)，进一步通过不同探测角度和不同水平距离的多次通过测量，获得该异常区域的高精度三维模型图和三维点云图，从多角度分别给出沉船及水下构筑物的位置、大小、高度信息，判断其对航道的影响。必要时可以为打捞或者拆除等清理工作的规划设计提供数据支持。

3.3 礁石扫测实录

根据海卓MS200提供的海底平面彩图、三维模型图、三维点云图等，确定海底礁石的初步分布情况，对不能精确标定(平差计算时发现多次测量点云点阵离散度较高)的目标，通过3.2中的测量方法，使用多次通过和多角度测量的加强测量模式，对该礁石进行加强扫测，直至该礁石的整体形态得到清晰的数据表达。必要时通过海卓MS200的侧扫成像功能对水底目标进行加强扫描。

4 扫测结果小结及数据融合

海洋测绘与陆基测绘的最大差异，在于海洋测绘的内外业同步推进策略，即在船载平台上构筑足够复杂的内业系统，实时对测量数据进行分析，随时根据分析结果调整外业测量方案。其内业系统如图1所示。

该系统中，通过浅部拖拽体的OVEＲHOSTEＲ设备和深部拖拽体的USBL、CTD、高度计、磁力计数据，经过光电复合拖缆将信号传递到工业交换机，使用工业网桥将数据转化为通用Ethernet信号，进入船载交换机中。且该网桥的穿透性规则，还可以允许工业数据经过频分回路直接传递到船载硬壳软体分析系统中。如图1中，本文数据整合过程使用了KSS31、KMEM122、ATLASP70、KMHIPPE100、GPS－ＲTK等5套硬壳软体分析系统，同时使用了IBM通用架构下的1台浮点计算主机、1台数据仓库主机、1台任务服务器对上述5套硬壳软体分析系统的数据提供数据融合支持。这3台系统需要进行浅层次的数据开发工作，其中浮点计算主机用于分析数据仓库中的融合数据，提供平差计算和数据误差评价计算，同时运行PDS2000软件包;数据仓库主机负责将上述5套硬壳软体系统的数据进行采集并形成中央数据库供浮点计算主机进行运算;任务服务器负责对5套硬壳软体系统进行调试、监控、配置。3台IBM架构主机的搭建模式见表1。

图 1 内业系统布局图

表 1 IBM 通用架构主机的搭建模式

结束语

通过上述分析，可以得到以下3点结论:1)通过倾斜测量和侧扫测量并配合多次多角度不同水平位移距离的多次通过测量区的冗余测量机制，可以对常见盲区，包括海底陡崖、沉船、水下构筑物等进行高精度成像，且可以对浅滩、礁石、边坡等浅水巷道的常见问题进行详细数据描述。2)海卓MS200的免安装校准功能可以有效减少多波束海底测量过程的工作量，通过本文的实际测量结果，可以确认免安装条件下的MS200多波束测量结果可以达到本文个案要求的港口进出港航道控制测量需求。3)当前系统条件下，针对礁石、浅滩、水下断崖、沉船、水下构筑物等影响航道安全的重点测量区，还必须采用多次测量的方式提高测量精度，才可以让这些关键部位的细部数据得到充分体现，标志着海卓MS200系统仍然存在一定的局限性，但此局限性可以在加强测量过程中通过投入更多工时得到有效规避。

参考文献:

[1] 成芳, 陈爽, 金绍华,等.陆缘深水区声速剖面 EOF 延拓方法研究[J]. 海洋测绘,2019,36(02):126-129.

[2] 何高文, 刘方兰, 余平, 等.多波束测深系统声速校正 [J]. 海洋地质与第四纪地质,2020,20(04):109-114.