多波束測深系統(tǒng)在海洋航道測量中的應用研究

趙陽

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.051

摘 要：該文基于筆者從事多波束測深的相關工作經(jīng)驗，以多波束測深系統(tǒng)在海洋航道測量應用為研究對象，論文首先探討了多波束測深系統(tǒng)的組成，進而以多波束測深系統(tǒng)用于航道管理為任務背景，詳細研究分析了多波束測深系統(tǒng)測量應用流程和監(jiān)測結(jié)果。

關鍵詞：多波束 測深 海洋 航道 監(jiān)測

中圖分類號：P229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（c）-0051-02

1 多波束水下測深系統(tǒng)

1.1 多波束測深系統(tǒng)的組成

多波束測深技術是現(xiàn)代水下探測領域的新興技術，它集成了現(xiàn)代空間測控技術、聲吶技術、計算機技術、信息處理技術等一系列高新技術，實現(xiàn)了對水下探測目標的高精度和高密度測量。該文用到的SeaBat 8101是目前世界上最先進、精度最高的多波束測深系統(tǒng)之一，它主要由OCTANS光纖羅經(jīng)和運動傳感器、聲速剖面儀、側(cè)掃圖像處理系統(tǒng)、多波束數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)（CARIS HIPS后處理軟件）、QTC Multiview底質(zhì)分類系統(tǒng)等共同組成。整個系統(tǒng)的組成見圖1。

1.2 系統(tǒng)特點

（1）SeaBat 8101以帶狀方式進行測量，波束連續(xù)發(fā)射和接收，測量覆蓋程度高，對水下地形可100%覆蓋。與單波束比較，波束角窄，能夠完全反映細微地形的變化。單波束是點、線的反映，而多波束則是面上的整體反映。多波束測深系統(tǒng)的測量成果更真實可靠，由于是全覆蓋，其大量的水深點數(shù)據(jù)使等值線生成真實可靠； 而單波束是將斷面數(shù)據(jù)進行摘錄成圖以插補方式生成等值線，在數(shù)據(jù)采集不夠時，等值線會存在一定偏差。

（2）SeaBat 8101條帶覆蓋寬度210°，波束大小為1.5°×1.5°，波束數(shù)目為101個，測深分辨率為1.25 cm。波束后向散射強度圖像和檢測到的距河床底距離實時顯示在聲吶監(jiān)視器上，且便于快速質(zhì)量檢查。

（3）眾所周知，測量船只的運動姿態(tài)對水下測量的數(shù)據(jù)影響很大，多波束測深系統(tǒng)在測量前和測量時，光纖羅經(jīng)和運動傳感器實時采集船行姿態(tài)數(shù)據(jù)，PDS2000采集軟件同步記錄船姿態(tài)信息，并對船行姿態(tài)進行實時校正，進而保證后處理中的水深測量數(shù)據(jù)能夠真實有效地反映水底情況，而單波束在這方面是無法實現(xiàn)的。

（4）CARIS HIPS后處理軟件功能強大，可以根據(jù)需要抽取不同比例尺的數(shù)據(jù)成圖，生成的圖件類型有：測深數(shù)據(jù)圖；水深等值線圖；三維數(shù)字地形模型（DTM）圖；彩色水深圖；彩色地形陰影圖以及質(zhì)量控制報告等。

2 多波束測深系統(tǒng)應用于量化監(jiān)測

在數(shù)據(jù)處理方面，傳統(tǒng)的處理方法是通過構(gòu)建Delauny三角網(wǎng)或Grid規(guī)則格網(wǎng)來形成水下的DTM，再通過分塊處理、四叉樹索引來達到水下地形多尺度LOD顯示的效果。但是針對區(qū)域量化監(jiān)測而言，其核心思想并不是可視化，而是周期性地監(jiān)測變化情況，同時考慮到水下地形數(shù)據(jù)具有多樣性、海量性、復雜性等特點以及提高計算效率減少計算機功耗等目的，該文采用對離散點云數(shù)據(jù)進行插值擬合而非構(gòu)建DTM的方法來處理不同時間采集的多波束水下地形數(shù)據(jù)，能夠保證有足夠的水深值來進行數(shù)據(jù)插值，保證結(jié)果的正確性且不失真。在此基礎上，對擬合曲面進行求差計算，從而得出階段時間內(nèi)的變化量。數(shù)據(jù)分析處理流程見圖2。

采集得到的這些多波束點云數(shù)據(jù)屬于大規(guī)模離散數(shù)據(jù)的一種，在這些海量的點云數(shù)據(jù)當中，偶有臨近點間的高程突變（局部不連續(xù)），但根據(jù)水下地形的特點分析，這些水下高程點的突變一般不是由水下地形的陡然起伏所造成，更為可能的是測量時產(chǎn)生噪聲點或無效數(shù)據(jù)點，需要通過濾波處理去掉無效點。

經(jīng)過濾波后的離散數(shù)據(jù)點的曲面重建一直以來是函數(shù)逼近論的一個重要研究內(nèi)容。近幾年來，隨著計算機輔助設計與圖形學的發(fā)展，離散數(shù)據(jù)的曲面重建技術得到了廣泛的研究和應用，離散數(shù)據(jù)擬合或插值是用一個光滑的曲面或通過一系列無規(guī)則的抽樣數(shù)據(jù)來逼近。

該方法十分靈活并且精度較高，計算簡單，不需要很大的計算機內(nèi)存。算法選取離散分布的數(shù)據(jù)點時，一般考慮2個因素：（1）范圍，即采用多大面積范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點來計算被插點的數(shù)值；（2）點數(shù)，即選取多少點參加計算被插補的點。這2個因素的實際應用要根據(jù)具體情況而定。范圍的大小是以某個被插值點為圓心，以R為半徑來確定的。其半徑?jīng)Q定與原始數(shù)據(jù)點的疏密程度和原始數(shù)據(jù)點可能影響的范圍。由于原始數(shù)據(jù)點分布不均勻，為了保證求解二次曲面方程，要有足夠數(shù)量的點，但又不能太多，因此圓半徑不是固定的。對于動態(tài)變化的圓半徑的決定，可以采用逐步變動的做法。

將研究河段內(nèi)水下地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的連續(xù)函數(shù)，采用規(guī)則圓方法，拾取規(guī)格化節(jié)點臨域范圍內(nèi)掃測值進行擬合計算。對于每一個新點選取其鄰近的 n 個數(shù)據(jù)點。把新點作為平面坐標的原點，然后用一個多項式曲面擬合。多項式中的各參數(shù)由n個數(shù)據(jù)點求得。

3 航道管理量化監(jiān)測的應用工程實例

按照此技術路線于2013年4月25日和2014年4月27日兩次分別進行了分階段的測量，前次測量時水面高程為24.247 m；后次測量時水面高程為21.978 m。兩次測量的目的，就是為了得到階段時間內(nèi)的動態(tài)變形情況。

按照上述方法分別擬合插值兩次測量得到的多波束數(shù)據(jù)，并采取俯視的角度進行比較。截取圖3中深色區(qū)域的斷面進行分析，如圖4所示。

4 結(jié)語

多波束測深系統(tǒng)廣泛應用于堤防、水庫、湖泊及海洋等水域的水下地形測量，進行水下工程及其水工建筑物的安全檢測（如拋石護岸等）；河道疏浚及港口、碼頭、橋梁的工程測量；水下管線、電纜等的監(jiān)測；沉船、水下物體的打撈搜尋等。這套系統(tǒng)的測量效益、實用性和廣闊的應用前景將進一步顯現(xiàn)。

參考文獻

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[2] 李濤章，葉松，廖小元，等.鉸鏈混凝土板沉排新技術與施工實踐[J].人民長江，2002，33（8）：26-29.