基于Caris Hips的ResonPDS格式數(shù)據(jù)聲速剖面改正方法

摘要：聲波在水體中的傳播速度受溫度、鹽度、壓力等因素影響，聲速剖面改正是獲取高精度測深數(shù)據(jù)的重要步驟。受ResonPDS數(shù)據(jù)特殊格式限制，主流的多波束數(shù)據(jù)處理軟件Caris Hips無法采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行處理，解析測線的相鄰重疊部位會出現(xiàn)明顯的錯位現(xiàn)象。為解決Caris Hips軟件與ResonPDS格式數(shù)據(jù)不兼容問題，提出了一種基于Caris Hips軟件對ResonPDS格式數(shù)據(jù)聲速剖面改正方法。試驗結(jié)果表明：該方法的解析數(shù)據(jù)具有更好的一致性，質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

關(guān)鍵詞：多波束測深; Caris Hips軟件; ResonPDS格式; 聲速校正; 水下地形

中圖法分類號：P229.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.019

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0062 - 04

0 引 言

測深數(shù)據(jù)是繪制水下地形圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，對于水底地形的測量精度要求也在不斷提高，尤其是在航道治理、碼頭清淤、水下施工等領(lǐng)域。在此背景下，具有高精度、高作業(yè)效率的多波束測深技術(shù)在世界各國精密海底地形測量中被推廣應(yīng)用。數(shù)據(jù)成果精度高低主要取決于各項影響精度因素的內(nèi)業(yè)處理改正情況，因此處理方法十分重要。

多波束測深系統(tǒng)各項改正中影響精度因素主要涉及潮位（參考基準(zhǔn)面）變化、換能器吃水變化和水介質(zhì)聲速變化3個方面。因此多波束測深系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)改正應(yīng)包括潮位改正、換能器吃水改正和水介質(zhì)聲速剖面改正3項。其中，潮位和換能器吃水改正一般通過預(yù)報或?qū)崪y數(shù)據(jù)直接進(jìn)行深度改正，由于介質(zhì)聲速不僅受水團(tuán)運動影響而經(jīng)常發(fā)生復(fù)雜變化，且不同的聲速結(jié)構(gòu)將直接影響波束射線的空間路徑，因此聲速改正是各項數(shù)據(jù)改正中最重要、同時也是最難控制的影響因素。海水聲速對多波束測深系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)（尤其是邊緣波束的測深數(shù)據(jù)）影響很大，聲速剖面的正確與否，直接關(guān)系到測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了達(dá)到為多波束測深系統(tǒng)提供正確的聲速剖面的目的，所采取的方法和手段稱為聲速校正技術(shù)。對于高精度的追求也促使了該領(lǐng)域出現(xiàn)了很多的改正技術(shù)，其中多波束聲速改正問題一直是研究的重點，各國學(xué)者對聲速改正問題進(jìn)行了大量研究，提出多種聲速改正方法，如三角法、等聲速、等梯度、聲線跟蹤法等[1-2]。

Caris Hips是目前被廣泛使用的一款多波束數(shù)據(jù)后處理軟件，雖然能夠處理幾乎目前所有的多波束數(shù)據(jù)格式，但是在處理流程上還存在一定差異。尤其是在聲速剖面改正上，對于較常用的XTF格式可以按照標(biāo)準(zhǔn)化的流程進(jìn)行處理，過程較簡單。而對于ResonPDS格式數(shù)據(jù)就無法使用傳統(tǒng)方法，這主要是由于ResonPDS數(shù)據(jù)格式有其自身的特殊性。本文針對ResonPDS格式數(shù)據(jù)，基于Caris Hips提出一種較好的聲速剖面改進(jìn)改正方法，提高了多波束測量成果精度。

1 Caris Hips聲速剖面改正模型及方法

聲波在水體中的傳播速度c：

由于聲速隨著深度的增加逐層發(fā)生變化，大開角的多波束要想獲得準(zhǔn)確的聲速傳播路徑必須進(jìn)行逐層追蹤歸算。因此在多波束數(shù)據(jù)后處理中正確地進(jìn)行聲速剖面改正是獲取高精度數(shù)據(jù)至關(guān)重要的一步，尤其是在大水深區(qū)域，必須進(jìn)行聲速剖面改正[4]。

在Caris Hips 9.0版本之前，Caris所采用的聲速剖面改正模型是基于常梯度聲線跟蹤法的原理進(jìn)行的，并且對于聲線姿態(tài)的改正是根據(jù)實際的姿態(tài)角度來直接計算聲線的實際入射角和水平角，然后通過聲線位置計算，直接計算聲線位置[5]。2015年，Caris發(fā)布了用于聲速剖面改正的最新算法，該算法是基于加拿大紐布倫斯威克大學(xué)海洋測量組的研究成果所提出。該算法不再將多波束換能器作為一個整體考慮，而是在進(jìn)行聲線追蹤時將發(fā)射陣列和接收陣列分別考慮（圖1）。 并且，針對獨立陣列可以計算每個波束到海底和返回的路徑，利用這種算法改正過的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確[6]。

對于測區(qū)面積或時間跨度較大的工程項目，通常會存在多條聲速剖面，為了避免分別對各組數(shù)據(jù)應(yīng)用不同的聲速剖面文件所造成的重復(fù)操作，Caris Hips軟件采用的方式是建立一個聲速剖面文件（內(nèi)含多條帶有位置和時間的聲速剖面），然后基于時間和距離（Previousin Time， Nearest in Time， Nearest Distance Within Time， Nearest in Distance）來選擇合適的聲速剖面用于對應(yīng)的測線文件加以改正。

圖2為區(qū)域聲速改正模型。圖2中P1，P2，P3，P4分別對應(yīng)4條不同位置和時間采集的聲速剖面，其采集時間先后順序為P1→P2→P3→P4，豎向虛線位置為需要進(jìn)行聲速剖面改正的多波束條帶數(shù)據(jù)。P1表示所應(yīng)用的聲速剖面為時間戳在條帶時間之前且最接近條帶時間的剖面;P2表示所應(yīng)用的聲速剖面為時間戳最接近條帶時間的剖面;P3表示所應(yīng)用的聲速剖面為位置最接近且在所設(shè)時間窗中最接近條帶時間的剖面;P4表示所應(yīng)用的聲速剖面為距離最靠近條帶位置的剖面。

2 實例驗證

2.1 船型文件創(chuàng)建

根據(jù)采集時所添加多波束驅(qū)動的不同，Reson PDS會形成兩套不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，從而導(dǎo)致Caris Hips在對Reson PDS格式多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行解析時也會存在兩種不同的結(jié)果，其中的區(qū)別就在于所記錄的數(shù)據(jù)中是否包含了“7027”數(shù)據(jù)集，“7027”中記錄了原始的波束的雙程旅行時及波束角度等。通常所采用的ResonPDS數(shù)據(jù)均是紀(jì)錄了“7027”的，而對其處理也是最特殊的，下文均以此為基礎(chǔ)展開。

為了在Caris Hips軟件中對ResonPDS格式多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速剖面改正，在創(chuàng)建船型文件時要采用雙探頭模式船型文件，這是因為針對包含“7027”數(shù)據(jù)集的Reson PDS數(shù)據(jù)，Caris會在進(jìn)行聲速剖面改正時將發(fā)射換能器與接收換能器陣列作為兩個獨立單元來考慮，通過聲速剖面參數(shù)來計算每個波束的傳播路徑。

2.1.1 換能器參數(shù)設(shè)置

“Tansducer 1”和“Tansducer 2”中偏移量數(shù)據(jù)均不輸入，否則會出現(xiàn)二次改正的情況，如果有校準(zhǔn)參數(shù)且未應(yīng)用到采集中則輸入“Tansducer 1”中?！癟ransducer 2”中的“startbeamnumber”中要輸入大于多波束最大波束數(shù)量的數(shù)值，例如本例中所采用的TeledyneResonT50-P多波束采集時所用最大波束數(shù)量為512，“startbeamnumber”最小要輸入513，如果不確定波束數(shù)量，該值可以盡量設(shè)置大一些，例如2 000。換能器參數(shù)設(shè)置示例見圖3。

2.1.2 定位羅經(jīng)傳感器參數(shù)設(shè)置

“Navigation”對應(yīng)位置中輸入定位偏移量參數(shù)，“Gyro”使用默認(rèn)設(shè)置（圖4）。

2.1.3 姿態(tài)傳感器參數(shù)設(shè)置

雖然在采集時多波束數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用了實時姿態(tài)改正，但是在進(jìn)行聲速剖面改正時需要考慮實時姿態(tài)數(shù)據(jù)對聲線路徑歸算的影響，所以需要選擇應(yīng)用，船型文件的“Heave”“Pitch”“Roll”中“Apply”均選擇“Yes”應(yīng)用。如果所選用的姿態(tài)傳感器有偏移量信息則需要在“Heave”中輸入。

2.1.4 聲速剖面?zhèn)鞲衅鲄?shù)設(shè)置

“SVP 1”與“SVP 2”分別代表發(fā)射換能器與接受換能器陣列，分別輸入對應(yīng)的偏移量，校準(zhǔn)參數(shù)值只輸入“SVP 1”中。聲速剖面?zhèn)鞲衅鲄?shù)設(shè)置示例見圖5。

2.1.5 水線參數(shù)設(shè)置

“Waterline Height”水線高中輸入水線相對于參考點的垂直距離，并且“Apply”中選擇應(yīng)用（圖6）。

2.2 聲速剖面文件編輯

Caris Hips聲速剖面文件格式主要分為表頭和數(shù)據(jù)兩部分，其中表頭有3行數(shù)據(jù)，分別代表聲速剖面版本號，存儲路徑，聲速剖面日期時間、經(jīng)緯度坐標(biāo)。數(shù)據(jù)部分為兩列，第一列為深度信息，第二列為對應(yīng)的聲速值。對于多聲速剖面文件，數(shù)據(jù)表頭與單聲速剖面文件一致，區(qū)別在于每增加一條新的聲速剖面，需要在數(shù)據(jù)前加一行日期時間與經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，具體格式如圖7方框標(biāo)注內(nèi)容所示。

2.3 實例驗證

本文采用長江口海域Reson T50-P多波束實測部分?jǐn)?shù)據(jù)，并使用Caris Hips 11.3版本軟件進(jìn)行處理分析，利用原始數(shù)據(jù)，將常規(guī)船型設(shè)置下的聲速剖面改正成果數(shù)據(jù)與采用本文方法的聲速剖面改正成果數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

驗證結(jié)果如圖8所示，相鄰測線重疊區(qū)域的單探頭聲速剖面改正數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的錯位現(xiàn)象，見圖8（a）中1，2號。為了提高多波束測深數(shù)據(jù)精度，本文通過創(chuàng)建雙探頭模式船型文件處理數(shù)據(jù)，然后根據(jù)Caris Hips聲速剖面文件格式編輯測深數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了Caris Hips軟件與ResonPDS格式數(shù)據(jù)兼容。雙探頭聲速剖面改正后的相鄰測線重疊區(qū)域具有更高的擬合度，見圖8（b）中3，4號，測試結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

此外，為了定量評定所述改進(jìn)方法性能，本文均勻地在實驗數(shù)據(jù)中提取了坡頂、坡底等地形特征點（圖8中白點）進(jìn)行定量分析，分析結(jié)果見表1。從表1中可以看出，新方法特征點的起點距大多減小2～3 m，改進(jìn)后的多波束測深數(shù)據(jù)的相對精度得到有效提高。

3 結(jié)論與建議

高精度的水下地形圖為河道整治、數(shù)字孿生、防洪抗汛和城市規(guī)劃等領(lǐng)域提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文針對Caris Hips軟件與ResonPDS格式數(shù)據(jù)不兼容問題，提出了一種基于Caris Hips軟件對ResonPDS格式數(shù)據(jù)聲速剖面改進(jìn)改正方法，有效提高了多波束測深數(shù)據(jù)精度，得出結(jié)論如下。

（1） Caris Hips軟件在對Reson PDS格式多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正時必須使用雙探頭模式的船型文件設(shè)置，并且對于各傳感器的參數(shù)設(shè)置都有嚴(yán)格的要求，此種方法處理的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

（2） 不同格式的多波束數(shù)據(jù)在Caris Hips中進(jìn)行處理時雖然大致流程一致，但是在具體子步驟的處理上存在差異，為了準(zhǔn)確獲取成果數(shù)據(jù)，需要用戶采用合適的方式方法。

（3） 對多波速數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速剖面改正是一種不可逆的過程，如果操作過程中存在錯誤，將無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果，需要重新加載原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所以要明確具體的方式方法。

參考文獻(xiàn)：

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[6] Universal System Ltd.CARIS Multibeam Data Processing[EB/OL]. （2022-02-09）http：//www.teledynecaris.com.

（編輯：江 文）