海洋测绘中多波束测深技术的精度控制研究

海洋测绘中多波束测深技术的精度控制研究

骆焕文

盐城思创测绘有限公司  江苏省盐城市224100

摘要：在海洋开发进程持续加快的当下，海洋测绘对精度的需求愈发严苛。多波束测深技术作为获取海洋地形数据的关键手段，在海洋科学研究、资源勘探、工程建设等领域发挥着举足轻重的作用。然而，其精度易受多种复杂因素干扰。本文深入剖析多波束测深技术的原理，全面探讨影响精度的核心要素，涵盖测量环境、仪器设备、测量方法及数据处理等层面，并针对性地提出一系列行之有效的精度控制策略。通过实际案例解析，充分验证了这些策略的可行性与有效性，为海洋测绘领域中多波束测深技术精度的提升提供了坚实的理论与实践支撑。

关键词：海洋测绘；多波束测深技术；精度控制；测量环境；数据处理

引言：海洋，这一广袤而神秘的领域，承载着无尽的资源与巨大的发展潜能。海洋测绘作为揭开海洋奥秘、实现海洋资源合理开发与利用的重要基石，其精度与可靠性直接关系到海洋工程的成败、海洋科学研究的深度以及海洋资源开发的效益。多波束测深技术作为现代海洋测绘的先进手段，以其高分辨率、高精度和大面积测量的优势，极大地丰富了我们对海底地形的认知。然而，在实际应用中，多波束测深技术的精度并非绝对完美，受到众多因素的制约。如何准确识别并有效控制这些影响因素，提高测量精度，成为当前海洋测绘领域亟待解决的关键问题。

一、多波束测深技术原理

多波束测深系统是一个复杂而精密的集成体系，通常由换能器、收发机、控制单元以及数据处理软件等关键组件构成。其工作原理基于声学测量原理，换能器向海底发射一系列密集且狭窄的波束，通过精确测量这些波束的往返传播时间以及发射和接收时的角度，利用复杂的数学算法计算出海底各点的深度和相对位置。多个波束同时工作，能够在一次测量中获取大面积的海底地形信息，形成高精度的海底地形图。

二、影响多波束测深技术精度的因素

（一）测量环境

1. 海况

海洋环境变幻莫测，海况的优劣对多波束测深技术的精度有着直接且显著的影响。狂风巨浪会使测量船在海面上剧烈摇晃，导致船姿不稳定，从而改变换能器的相对位置和角度，影响波束的指向和测量精度。在六级以上大风的海况下，测量船的横摇和纵摇可能超过 10 度，这将导致测量数据出现较大偏差。此外，强大的海流也会使测量船偏离预定航线，影响测线的布设和测量的准确性。

2. 水质

海水中的悬浮物、气泡以及温度和盐度的变化都会对声波的传播产生散射和吸收，从而干扰测量信号的强度和精度。在近岸海域，由于河流输入和人类活动的影响，海水中的悬浮物含量较高，声波在传播过程中会被大量散射和吸收，导致测量信号的衰减，从而影响测量精度。另外，海水温度和盐度的垂直梯度变化也会导致声速的变化，若不进行准确的声速改正，同样会引起测量误差。

（二）仪器设备

1. 换能器性能

换能器作为多波束测深系统的核心部件，其性能参数如频率、波束宽度、指向性等直接决定了测量的分辨率和精度。较高频率的换能器能够提供更高的分辨率，但测量范围相对较小；较宽的波束宽度则会降低测量的精度。使用 200kHz 频率的换能器与使用 100kHz 频率的换能器相比，前者能够更清晰地分辨出海底的微小地形特征，但在测量较深海域时，信号衰减较快，测量范围受限。

2. 安装校准误差

多波束测深系统在安装过程中，如果换能器的安装角度、位置存在偏差，或者在使用前未进行准确的校准，都会引入系统误差。换能器安装时若存在 1 度的倾斜角偏差，在测量深度较大的海域时，可能会导致数十米的深度误差。此外，仪器的电子设备老化、传感器灵敏度下降等也会影响测量精度。

（三）测量方法

1. 测线布设

测线的布设方案直接影响测量结果的完整性和精度。测线间距过大可能导致测量区域出现遗漏或数据稀疏，无法准确反映海底地形的细节；测线方向不合理可能会导致测量数据在某些区域重叠过多，而在其他区域则覆盖不足。在地形复杂的海域，应采用较密集的测线间距和多角度的测线布设方式，以全面获取地形信息。

2. 测量速度

测量船的速度对多波束测深数据的质量有着重要影响。速度过快可能导致相邻波束之间的测量时间间隔太短，无法准确获取海底地形的变化；速度过慢则会降低测量效率，增加测量成本。在测量浅海区域时，测量船速度一般应控制在 5-8 节，以保证测量数据的准确性和完整性。

（四）数据处理

1. 声速改正

由于海水的温度、盐度和压力在不同深度和区域存在差异，声速也会随之变化。如果在数据处理过程中未能采用准确的声速模型进行声速改正，将会导致深度测量误差。在温度梯度较大的海域，若声速改正误差为 1m/s，对于测量深度为 100 米的区域，可能会产生约 1 米的深度误差。

2. 潮位改正

潮位的变化会影响测量的基准面，若潮位改正不当，将导致海底地形测量结果出现偏差。在大潮期间，潮位的变化幅度可能超过 3 米，如果潮位改正误差为 0.1 米，对于浅海区域的测量结果将产生显著影响。

三、多波束测深技术精度控制措施

（一）测量环境控制

1. 选择合适的测量时间和海域

在进行多波束测深测量前，应充分收集测量海域的气象、海况资料，选择海况相对平静、风浪较小的时间段进行测量。同时，避开海洋灾害频发的区域，以降低测量风险和提高测量精度。

2. 对测量海域的水质进行监测

在测量前，对测量海域的水质进行监测，了解海水中悬浮物、气泡等的分布情况。对于水质较差的海域，可以采取增加测量频率、调整测量参数等措施，以减少水质对测量的影响。

（二）仪器设备校准

1. 定期对换能器进行性能检测和校准

按照仪器设备的使用手册和维护要求，定期对换能器进行性能检测，包括频率响应、波束宽度、指向性等参数的检测。发现性能下降或参数偏差时，及时进行校准和维修。

2. 在安装仪器时，严格按照操作规程进行，减少安装误差，并进行现场校准

在安装多波束测深系统时，应严格遵循安装说明书的要求，确保换能器的安装角度、位置准确无误。安装完成后，进行现场校准，包括横摇、纵摇、艏向等参数的校准，以消除安装误差对测量精度的影响。

（三）优化测量方法

1. 合理布设测线

根据测量任务的要求、海域的地形特征和测量精度的要求，制定合理的测线布设方案。在地形复杂、变化剧烈的海域，应采用加密的测线间距和多角度的测线布设方式；在地形相对平坦的海域，可以适当放宽测线间距。

2. 控制测量船的速度

根据测量海域的水深、海况和测量精度的要求，合理控制测量船的速度。在浅海区域和地形复杂的海域，应适当降低测量船的速度；在深海区域和海况较好的海域，可以适当提高测量船的速度。

（四）数据处理优化

1. 采用精确的声速模型进行声速改正

在数据处理过程中，应根据测量海域的温度、盐度和压力等实测数据，选择合适的声速模型进行声速改正。同时，可以结合历史数据和经验公式，对声速模型进行优化和修正，提高声速改正的精度。

2. 利用高精度的潮位观测数据进行潮位改正

在测量前，应在测量海域附近设立足够数量的潮位观测站，获取高精度的潮位观测数据。在数据处理过程中，选择合适的潮位模型和改正方法，对测量数据进行潮位改正。

结论：多波束测深技术作为海洋测绘的重要手段，为我们深入了解海洋地形提供了有力的工具。然而，其精度的控制是一个复杂而系统的工程，需要综合考虑测量环境、仪器设备、测量方法和数据处理等多个环节。通过对影响精度的因素进行深入分析，并采取相应的控制措施，如优化测量环境、严格仪器校准、改进测量方法和优化数据处理等，可以有效地提高多波束测深技术的测量精度。在实际应用中，应根据具体的测量任务和海域条件，灵活选择和应用精度控制措施，并不断总结经验，加强技术创新和人才培养，提高海洋测绘的整体水平。随着海洋科学技术的不断发展，多波束测深技术的精度控制将不断完善，为海洋事业的蓬勃发展提供更加精确、可靠的数据支持，助力人类更好地开发和利用海洋资源，保护海洋生态环境。

参考文献：

[1]刘果.海洋测绘中多波束测深技术的应用趋势[J].科技创新与应用,2016.

[2]纪君平.多波束测深系统在现代海洋测绘中的应用研究[J].科技创新与应用,2019.

[3]谭良,全小龙,张黎明.多波束测深系统及其在水下工程监测中的应用[J].全球定位系统,2009.