基于工程案例的多波束海洋測繪分析

朱毅斌

（福建省水產(chǎn)設計院，福州 350000）

1 引言

多波束海洋測繪技術(shù)是一種新型測繪技術(shù)，能夠?qū)５走M行高精度的測量。在傳統(tǒng)的海洋測繪工作中，通常使用單波束探測儀作為測量儀器，但是其在使用過程中需要面臨2個方面的問題：（1）在使用窄波束技術(shù)時，需要通過加大換能器將波束變窄，因此，會增加測繪工作的成本；（2）加密測線，也會增加測繪成本。而多波束海洋測繪技術(shù)可以進行多信道的定向接受以及廣角度的發(fā)射，不需要使用換能器就可以更準確、更廣泛地獲取海底的相關(guān)數(shù)據(jù)，全面提高海洋測繪技術(shù)的精確度。

2 多波束海洋測繪系統(tǒng)的相關(guān)概述

2.1 多波束海洋測繪系統(tǒng)的構(gòu)成

本次水下探測工程使用 SeaBat7125多波束海洋測繪系統(tǒng)，這也是目前精度最高、最先進的一種多波束海洋測繪探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由運動傳感器、圖像處理系統(tǒng)、QTC Multiview 低質(zhì)分類系統(tǒng)、ICTANS 光纖羅經(jīng)以及多波束數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)組成，其具體工作原理如圖1所示。

圖1 SeaBat7125多波束海洋測繪系統(tǒng)工作原理

2.2 多波束海洋測繪系統(tǒng)的特點

以 SeaBat7125多波束海洋測繪系統(tǒng)作為例子，其特點主要表現(xiàn)以下方面：SeaBat7125多波束海洋測繪系統(tǒng)可以實現(xiàn)波束的連續(xù)接收與連續(xù)發(fā)射，有效提高了測繪的覆蓋范圍，具體來說，其可以對水下地形進行全部覆蓋。與單波束測繪不同，多波束能夠整體從面上做出反應，在這種情況下，得到的測量結(jié)果更加準確、真實。而單波束測繪系統(tǒng)在只能將斷面中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行記錄，而后通過插補的方式形成等值線，在這種情況下就會降低測繪結(jié)果的準確性。另一方面，利用系統(tǒng)中包括的發(fā)射換能器，可以向水底投射 128°的扇形覆蓋區(qū)[1]，在這種情況下，接收器可以同時生成256個動態(tài)聚焦波束，此時分辨率達到 5mm，完成波束后，將檢測到的距河床底距離與散射強度的圖像直接顯示于聲吶監(jiān)視器中，這樣也可以為質(zhì)量檢查工作提供方便。

3 多波束海洋測繪系統(tǒng)的應用

在傳統(tǒng)的水下監(jiān)測工作中，基本上都是采用單波束測繪系統(tǒng)進行水下測量，單波束測繪系統(tǒng)屬于一種線狀測繪方式，能夠?qū)⑺碌恼鎸嵡闆r反映出來，但是這種測繪方法不僅難度較大，且精確度比較低，無法滿足一些復雜地形或大比例尺水下測繪工作的要求。采用多波束海洋測繪系統(tǒng)則能夠有效提高測繪結(jié)果的準確性，具體來說，多波束海洋測繪系統(tǒng)具有高分辨率、快速測量、全面覆蓋、精確度高等多種優(yōu)點，能夠?qū)λ碌匦伟l(fā)生的細微變化進行全面監(jiān)視，從而更加高效地完成測繪工作。

4 多波束海洋測繪系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

傳統(tǒng)海洋測繪中的數(shù)據(jù)處理方法，主要是通過構(gòu)建 Grid規(guī)則格網(wǎng)或者 Delauny 三角網(wǎng)形成水下的 DTM （數(shù)字地面模型），而后利用四叉樹索、分塊處理實現(xiàn)多尺度 LOD（Levele of Data，多細節(jié)層次）的現(xiàn)實效果，呈現(xiàn)水下地形。但是，在如今的海洋測繪工作中，對測繪結(jié)果準確性的要求也越來越高，加之水下地形數(shù)據(jù)具有海量性、多樣性以及復雜性等特點，同時，應采用離散點云數(shù)據(jù)進行插值擬合，對所采集的多波束水下地形數(shù)據(jù)進行處理，從而獲得足夠的水深值，而后完成數(shù)據(jù)插值，以此確保結(jié)果的真實性與準確性。除此之外，計算擬合曲面差后，可以得到水下砂石資源的變化情況。

現(xiàn)如今，由于圖形學科與計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)學者或科學研究人員對離散數(shù)據(jù)的曲面重建技術(shù)進行了更加深入的研究與分析，具體來說，插值或離散數(shù)據(jù)擬合是使用一系列無規(guī)則或者是一個光滑曲面的抽樣數(shù)據(jù)進行逼近的。

5 運用多波束海洋測繪系統(tǒng)的相關(guān)注意事項

多波束海洋測繪系統(tǒng)不僅應用靈活，而且還具有計算過程簡單、精確度較高、所占內(nèi)存較小等優(yōu)勢。利用算法選擇離散分布的數(shù)據(jù)點時，需要對2個方面的因素進行重點考慮：一方面是范圍，具體指的是利用大面積范圍內(nèi)具有的數(shù)據(jù)點對被插點的數(shù)據(jù)進行計算；另一方面是點數(shù)，是指應選擇多少個點參加被插補點的計算。在應用這2個因素時，應根據(jù)具體情況進行合理選擇。確定范圍時，應將某一個被插值的點作為圓心，而后確定半徑，進而確定整個范圍、原始數(shù)據(jù)點的疏密性、半徑?jīng)Q定的疏密程度以及原始數(shù)據(jù)點均會對具體的范圍造成影響。因為每一個原始點的分布不夠均勻，所以，為了可以更加準確地求解二次曲面方程，必須保證擁有的點的數(shù)據(jù)充足，但不能太多，確保其適中性，在這種情況下，圓形范圍的半徑也是不固定的[2]。所以，在確定圓的半徑時，可以使用逐步變動的方法。

將被測繪的水下地形表面中具有的離散化的數(shù)據(jù)點進行轉(zhuǎn)化，使其能夠成為規(guī)則化的網(wǎng)格分布的連續(xù)函數(shù)，具體轉(zhuǎn)化過程中，可以使用規(guī)則圓方法進行轉(zhuǎn)化，將所取的規(guī)格化節(jié)點臨域范圍內(nèi)的掃測值進行擬合計算。選擇一個新的數(shù)據(jù)點時，應在其周圍選擇多個鄰近的數(shù)據(jù)點，并將最初選擇的新坐標點作為原點，而后再使用多項式曲面擬合，利用多個數(shù)據(jù)點求得多項式中含有的各項參數(shù)。

6 結(jié)語

綜上所述，利用多波束海洋測繪系統(tǒng)對水庫、堤防、海洋以及湖泊等水域進行水下地形的測量，可以為檢測水下工程建筑物、水下工程的安全性提供數(shù)據(jù)支持，如水下管線、電纜的監(jiān)測；河道橋梁、碼頭、港口以及疏浚等工程的測量；水下物體、沉船的搜尋等，都可以采用多波束海洋測繪系統(tǒng)進行測量，從而有效提高測量結(jié)果的真實性與準確性，這也說明多波束海洋測繪系統(tǒng)具有非常良好的應用前景，因此，應對多波束海洋測繪系統(tǒng)進行更加深入的研究。