基于多波束測(cè)深系統(tǒng)的海南港北港水深測(cè)量應(yīng)用

張楚琦

（交通運(yùn)輸部南海航海保障中心 廣州海事測(cè)繪中心，廣東廣州 510000）

港北港是海南省一個(gè)深水良港，位于海南省東南偏東部的萬(wàn)寧市和樂(lè)鎮(zhèn)。萬(wàn)寧市東瀕南海，西與瓊中縣交界，東南與陵水縣毗鄰，北與瓊海市接壤，南距三亞市112 公里，北離?？谑?39 公里，處于東線(xiàn)高速公路中部。

本次測(cè)量范圍如圖1 所示，區(qū)域概圖見(jiàn)圖2。

圖1 測(cè)量區(qū)域衛(wèi)星遙感影像

圖2 測(cè)量區(qū)域概圖

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)及原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)，又稱(chēng)為多波束測(cè)深儀、條帶測(cè)深儀或多波束測(cè)深聲吶等，多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種高精度、高分辨率、高效率的一種水下地形測(cè)量技術(shù)[1]。相較于單波束測(cè)深儀，其具備自動(dòng)化成圖、數(shù)字化記錄、高精度、高速度、大范圍等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣[2]。系統(tǒng)主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成，其一是多波束的發(fā)射和接收系統(tǒng)以及相關(guān)的換能器綜合信號(hào)控制處理系統(tǒng)。其二是用于多波束系統(tǒng)服務(wù)的輔助系統(tǒng)，包括為多波束系統(tǒng)提供測(cè)量定位的衛(wèi)星定位系統(tǒng)、測(cè)量產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)以及聲速剖面儀等。其三是多波束聲波測(cè)量數(shù)據(jù)的解析處理軟件系統(tǒng)，包括信息分析處理軟件、信息數(shù)據(jù)對(duì)比和整理軟件以及信息儲(chǔ)存庫(kù)等。

多波束測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)線(xiàn)狀聲波對(duì)航道底部的地形進(jìn)行測(cè)量，將多線(xiàn)索構(gòu)成面，從而得到航道水下地形的三維圖片。其工作原理就是利用聲波發(fā)射器陣列于水下發(fā)射一定寬度的扇形覆蓋聲波，利用聲波遇到障礙物會(huì)進(jìn)行反射的原理，對(duì)反射的聲波進(jìn)行收集和分析。這些被反射的聲波在數(shù)據(jù)處理軟件的處理下被解析為成千上萬(wàn)的單個(gè)測(cè)深點(diǎn)的深度值，據(jù)此繪制出水底的三維地形圖。其中，多波束測(cè)深系統(tǒng)可以獲得較為精確的平面位置和深度，但由于分辨率的局限，當(dāng)開(kāi)角變大時(shí)，對(duì)海底反映的詳細(xì)度相對(duì)較差[3]。本次測(cè)量使用R2SONIC2022 多波束測(cè)深系統(tǒng)，其測(cè)深，定位、測(cè)深精度符合測(cè)圖要求，所有儀器在測(cè)前進(jìn)行檢驗(yàn)及檢查，檢驗(yàn)、檢查方法正確，精度符合要求。

2 多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量應(yīng)用情況

2.1 多波束數(shù)據(jù)采集

2.1.1 基準(zhǔn)面與平面控制

本次測(cè)量中，測(cè)圖使用高斯3o帶投影，中央子午線(xiàn)為111o，其平面控制采用2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系，平面控制資料由中心資料室提供，控制點(diǎn)點(diǎn)位保持良好，精度符合測(cè)圖要求，DGPS 接收機(jī)輸出的成果為WGS-84 坐標(biāo),在航海用途上，WGS-84坐標(biāo)系與2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系等同，因此采集定位數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)須進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

2.1.2 水位控制

本次測(cè)量深度基準(zhǔn)面采用理論最低潮面，通過(guò)設(shè)立港北港內(nèi)峙臨時(shí)驗(yàn)潮站進(jìn)行水位控制，驗(yàn)潮站采用四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)了至少兩個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)；驗(yàn)潮站水尺與水準(zhǔn)點(diǎn)高差按四等水準(zhǔn)要求聯(lián)測(cè)，并定期檢測(cè)工作水準(zhǔn)點(diǎn)與水尺零點(diǎn)間的相互高差有無(wú)變動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)，驗(yàn)潮站水尺零點(diǎn)未發(fā)生變動(dòng)，潮位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可以采用。

2.1.3 測(cè)線(xiàn)布設(shè)

為了提高掃測(cè)效率，多波束掃測(cè)時(shí)布設(shè)計(jì)劃測(cè)線(xiàn)方向與航道方向一致。主測(cè)深線(xiàn)的間距已經(jīng)保證相鄰測(cè)線(xiàn)有效掃寬相互重疊,并小于有效測(cè)深寬度的80%。在淺點(diǎn)掃海等重要航行水域，測(cè)深線(xiàn)的間距小于有效測(cè)深寬度的50%。有效測(cè)深寬度應(yīng)根據(jù)儀器性能、回波信號(hào)質(zhì)量、潮汐、測(cè)區(qū)水深、測(cè)量性質(zhì)、定位精度、水深測(cè)量精度以及水深點(diǎn)的密度而定；所有測(cè)線(xiàn)均延長(zhǎng)了200 米，保證姿態(tài)傳感器的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)覆蓋。

2.1.4 多波束安裝偏移

船體坐標(biāo)系以姿態(tài)傳感器為坐標(biāo)原點(diǎn)；X 軸：垂直船艏方向，指向船右舷為正；Y 軸：沿船艏方向，指向船艏為正；Z 軸：鉛垂方向，向下為正。各單元位置關(guān)系見(jiàn)表1：

表1 多波束測(cè)深系統(tǒng)各單位位置關(guān)系表

多波束安裝示意圖見(jiàn)圖3：

圖3 多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝示意圖

2.1.5 多波束校準(zhǔn)

按照既定的校準(zhǔn)方案，在海圖上大約15m 深的水域附近進(jìn)行了系統(tǒng)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的順序?yàn)槎ㄎ粫r(shí)延(Latency）（由于本套多波束自帶PPS 與ZDA，所以本次水深測(cè)量時(shí)延不需要校準(zhǔn)，即時(shí)延為0秒）、橫搖偏差(Roll)、縱搖偏差(Pitch)、艏向偏差(Yaw)。橫搖偏差的校準(zhǔn)在海底平坦且水深較大的地方，使用等距波束模式正反向行駛，船速保證前進(jìn)方向的波束交迭≥100%；縱搖偏差的校準(zhǔn)在航道外平坦斜坡上進(jìn)行，以不同的速度行駛，采集數(shù)據(jù)時(shí)使用等角波束模式；艏向偏差的校準(zhǔn)在淺水有明顯障礙物的兩邊布置兩條相鄰測(cè)線(xiàn)使用等距波束模式進(jìn)行，相鄰的線(xiàn)有稍大于30%的覆蓋率。

系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)的計(jì)算在Caris HIPS Calibration模式由兩人分別進(jìn)行，得到的幾組結(jié)果剔除粗差后取平均值作為最終校準(zhǔn)參數(shù)。將最終結(jié)果輸入Caris 船配文件(*.hvf)的Swath1 傳感器中，在后處理的合并步驟改正到測(cè)深數(shù)據(jù)中。

2.1.6 聲速改正

采用表層聲速儀進(jìn)行多波束換能器實(shí)時(shí)表層聲速測(cè)量及改正；測(cè)量期間每天使用聲速儀進(jìn)行多次聲速測(cè)量，對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正。

單波束測(cè)量則在測(cè)深第一天進(jìn)行平均聲速測(cè)量，將測(cè)量值輸入測(cè)試儀，作為測(cè)深儀的初始聲速。

2.2 相關(guān)數(shù)據(jù)采集

測(cè)量過(guò)程中使用多波束掃測(cè)時(shí)，采用RBN-DGPS 差分定位方法進(jìn)行定位，輸送WGS-84坐標(biāo)進(jìn)行船舶導(dǎo)航及位置數(shù)據(jù)采集，通過(guò)多波束換能器、姿態(tài)傳感器和表層聲速儀進(jìn)行水深、船舶姿態(tài)、表層聲速等數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)QinSy 多波束外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的綜合采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理

操作過(guò)程中，采用Caris 公司的HIPSandSIPS8.1軟件進(jìn)行多波束內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，對(duì)外業(yè)過(guò)程采集來(lái)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)及各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和處理，通過(guò)設(shè)定合理的過(guò)濾參數(shù)去除水深采集數(shù)據(jù)中存在的假信號(hào)。

多波束數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖4：

圖4 多波束數(shù)據(jù)處理流程

(1)建立船配(HVF)文件；

(2)建立項(xiàng)目，導(dǎo)入數(shù)據(jù)；

(3)編輯導(dǎo)航和姿態(tài)(Pitch、Roll、Yaw、Gyro)數(shù)據(jù)；

(4)進(jìn)行聲速和潮位改正，合并數(shù)據(jù)；

(5)對(duì)船配文件中的船姿(Latency、Pitch、Roll、Yaw、Gyro)安裝及定位偏移值進(jìn)行校準(zhǔn)后，重新合并船配數(shù)據(jù)；

(6)計(jì)算TPU，定義地域圖表，調(diào)試參數(shù)生成CUBE 面(0.25m-2m 分辨率)；

(7)在子區(qū)模式(SUBSET)下進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查和標(biāo)記特殊水深，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行面過(guò)濾；

(8)數(shù)據(jù)處理完成后，輸出BAG 產(chǎn)品面和ACSII 碼數(shù)據(jù)。

2.4 精度評(píng)估

本次多波束水深測(cè)量應(yīng)用中采用主檢比對(duì)法進(jìn)行精度評(píng)估，將多波束及單波束主測(cè)深線(xiàn)水深數(shù)據(jù)與檢查線(xiàn)水深數(shù)據(jù)相比較，按圖上1mm 的比對(duì)半徑，共比對(duì)有效水深113 個(gè)，符合情況良好，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2 所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果符合精度要求。

表2 主檢比對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3 數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制及成圖檢查

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，進(jìn)行了定位、姿態(tài)、聲速、潮汐的改正和檢查，采用CUBE 算法等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)過(guò)濾，人工進(jìn)行數(shù)據(jù)QC 和水深標(biāo)記，盡量減少人為主觀影響。多波束數(shù)據(jù)處理時(shí)根據(jù)水深和地形特征調(diào)整設(shè)置CUBE 參數(shù)和建面分辨率，在過(guò)濾前后均在子區(qū)模式下進(jìn)行了反復(fù)的數(shù)據(jù)檢查，對(duì)處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的可疑點(diǎn)從波束號(hào)、回波強(qiáng)度、旁瓣影響等方面進(jìn)行綜合分析，無(wú)法判斷或影響通航安全的淺點(diǎn)均安排了復(fù)測(cè)。數(shù)據(jù)成圖時(shí)，多波束數(shù)據(jù)之間比較了內(nèi)符合精度，再與單波束檢查線(xiàn)水深比較了外符合精度。

水深數(shù)據(jù)資料歷時(shí)數(shù)天的整理，流程符合規(guī)范要求，采用CarisHIPS 軟件進(jìn)行多波束聲速改正、潮汐改正、條帶和子區(qū)編輯清理異常、虛假水深；采用Hypack 軟件進(jìn)行單波束數(shù)據(jù)處理、特深點(diǎn)選取、主檢比對(duì)等工作；采用CASS 進(jìn)行圖廓編輯、圖面整飾、等深線(xiàn)勾繪、底質(zhì)注記。成圖水深取舍合理、圖面清晰整潔、圖板整飾正確，圖式符號(hào)應(yīng)用正確，文檔資料齊全、完整、無(wú)缺漏，字體、格式統(tǒng)一，各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)正確。成果數(shù)據(jù)質(zhì)量真實(shí)可信，質(zhì)量?jī)?yōu)秀，可以采用。

本次測(cè)量成圖水深與上一版海圖水深相比較，本次水深測(cè)量按設(shè)計(jì)書(shū)要求測(cè)至水深2 米線(xiàn)，兩次水深測(cè)量水深沒(méi)有明顯變化，水深吻合較好。多波束掃測(cè)時(shí)單波束同步記錄，后期數(shù)據(jù)檢查時(shí)先比較多波束和單波束密采水深，實(shí)踐證明該方法能較為全面檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本次測(cè)量采用信標(biāo)差分定位，R2SONIC 2022多波束測(cè)深儀測(cè)深，定位、測(cè)深精度符合測(cè)圖需求；所有儀器在測(cè)前進(jìn)行了檢驗(yàn)及檢查，檢驗(yàn)、檢查方法正確，精度符合要求，驗(yàn)潮站布設(shè)合理，能有效控制整個(gè)測(cè)區(qū)，水位改正方法正確；測(cè)深線(xiàn)布設(shè)合理，海底地貌探測(cè)完善。航道測(cè)量作為制作航道圖的基本工作，多波束系統(tǒng)依靠精密的探測(cè)系統(tǒng)和先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，有效提高了航道測(cè)量的精確度及可靠性。多波束系統(tǒng)在航道測(cè)量中的應(yīng)用，要注意測(cè)線(xiàn)的布置。