多波束測量的精度控制與規(guī)范指標(biāo)

梁志誠，黃文騫，魏　帥，吳　堅，張俊杰

(1.中國航海圖書出版社，天津 塘沽 300450；2.海軍大連艦艇學(xué)院 海洋測繪系，遼寧 大連 116018)

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多波束測量的精度控制與規(guī)范指標(biāo)

梁志誠1，黃文騫2，魏帥2，吳堅1，張俊杰1

(1.中國航海圖書出版社，天津 塘沽 300450；2.海軍大連艦艇學(xué)院 海洋測繪系，遼寧 大連 116018)

海底地形資料是海洋環(huán)境信息的重要組成部分，現(xiàn)階段主要通過多波束測深系統(tǒng)以走航式手段獲取[1]。目前，新一代多波束測深系統(tǒng)的換能器標(biāo)稱精度與分辨率等關(guān)鍵指標(biāo)均已達(dá)到厘米級，因而影響系統(tǒng)測深精度的主要因素已經(jīng)從設(shè)備本身精度轉(zhuǎn)移到輔助測量精度以及作業(yè)組織的規(guī)范程度和成果評價的科學(xué)性、全面性上[2-3]。但我國現(xiàn)行的《海道測量規(guī)范(GB12327—1998)》對多波束測量作業(yè)過程尚未進行質(zhì)量指標(biāo)的界定，其測深精度指標(biāo)只簡單的對分段水深進行限差界定，最終的數(shù)據(jù)質(zhì)量是否符合限差，要通過主測線與檢查測線上交點水深的內(nèi)符合精度來判斷。這一傳統(tǒng)做法不僅不能反映客觀實際[4]，也不能全面指導(dǎo)實際的測量作業(yè)，導(dǎo)致在進行多波束測深作業(yè)時，測量人員對作業(yè)環(huán)境、輔助測量數(shù)據(jù)缺乏深刻的認(rèn)識，難以對測量精度進行有效的控制。因此，急需建立更為有效的測量數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控機制。

1測量限差與多波束測量等級指標(biāo)

目前海洋水深測量的技術(shù)指標(biāo)存在較大的模糊性，對實際測量作業(yè)沒有全面的參考意義。通過對比國內(nèi)外的各項技術(shù)指標(biāo)，理清各種數(shù)據(jù)指標(biāo)的關(guān)系和意義。

《海道測量規(guī)范》對測深限差(95%置信度)的要求見表1。

根據(jù)IHO S-44(5th)對水深精度的要求，以不確定度代替精度指標(biāo)對測深數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評估，該指標(biāo)是評價多波束測深數(shù)據(jù)的總指標(biāo)。確定水深不確定度的關(guān)鍵在于概率分布和相應(yīng)的置信域，以及標(biāo)準(zhǔn)差σ的獲取。

表1　測深限差要求　m

在IHO S-44(5th)中，已假定測深數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，并要求置信度為95%。因此，水深總不確定度(TVU)為

式中:σDepth為水深標(biāo)準(zhǔn)差。

IHO對TVU的計算定義為

式中:a為不確定度中不隨深度變化的部分;b表示不確定度中隨深度變化部分的系數(shù);d為水深。

在IHO S-44(5th)中，按照不同海區(qū)對航行安全的重要程度制定不同精度等級要求，并將其劃分為4個等級(95%置信度)，見表2。

表2　S-44海道測量最低標(biāo)準(zhǔn)

《多波束水深測量技術(shù)規(guī)定》中，多波束水深測量分級精度指標(biāo)見表3。

表3　多波束測量等級劃分及精度指標(biāo)　m

分析《多波束水深測量技術(shù)規(guī)定》對深度精度的規(guī)定，可以得出結(jié)論：通過一級多波束測量能夠滿足《海道測量規(guī)范》對測深限差的要求，而二級多波束測量的精度則不符合測深限差要求，見表4。

表4　多波束一二級測量在特定深度的精度指標(biāo)　m

2多波束測量誤差傳播過程及精度分析

2.1隨深度變化的不確定度

換能器橫搖、縱搖、艏搖對測量數(shù)據(jù)的影響是不同的，其中橫搖造成多波束測量的測深誤差，縱搖和艏搖造成定位誤差。橫搖值誤差1°水深為50 m的斜距上時，對測量成果產(chǎn)生0.6 m的誤差；縱搖1°水深20 m時，將在航跡線方向上引起0.4 m的位移誤差[5]。通過往返測量，可以計算橫搖偏差的測量精度為±0.05°，在邊緣波束上水深50 m處引起的最大測量誤差大約為3 cm。20 m處的誤差則為0.012 m，對測深數(shù)據(jù)不確定影響很小。因此，隨深度變化的不確定度主要是聲速和時間差引起，時間差的精確性較難評估而且誤差很小，暫時不必考慮。

當(dāng)前測量部門對聲剖數(shù)據(jù)的評價沒有一個直觀的數(shù)值指標(biāo)，一般通過控制時間和空間的測量間隙,盡量減小由于時空結(jié)構(gòu)性差異引起的聲剖數(shù)據(jù)誤差。而在測量成果上，水深點一般選擇距離最近的聲剖數(shù)據(jù)進行水深計算，如果水深點在聲剖變化較大的區(qū)域，相鄰的聲剖數(shù)據(jù)差異較大，則導(dǎo)致測深誤差具有難以估計的不確定度。當(dāng)聲剖整體誤差為10 m/s時，若海水中聲速為1 500 m/s，則100 m的深度會有約0.67 m的測量誤差。因此聲剖數(shù)據(jù)的好壞很大程度上決定成果的質(zhì)量，建立一個科學(xué)的聲剖評價指標(biāo)，不應(yīng)該從測量間隙上考慮，而應(yīng)該建立聲剖數(shù)據(jù)的間隔差。

通過算式推導(dǎo)，可以得到

式中：v′為實測聲速;v為實際聲速，聲速引起的測深不確定度為1.96×d′。

中誤差的傳播是通過不相關(guān)因子的中誤差平方和來進行計算?？烧J(rèn)為：1.96×(v′/v)=b，即v′=b×v/1.96。

在一般海區(qū)，海水聲速一般約為1 500 m/s。因此可以大致推算出聲剖測量數(shù)據(jù)中聲速的中誤差，如表5所示。

表5　聲速中誤差等級　m/s

2.2不隨深度變化的不確定度

由《多波束水深測量技術(shù)規(guī)定》可知，驗潮站水位觀測誤差不大于5 cm，一、二級精度水深測量時，必須實測水位；三、四級精度測量時，可用預(yù)報水位，預(yù)報水位的精度優(yōu)于±25 cm，當(dāng)水深大于200 m時，可不進行水位改正。

在沿岸海域的水深測量中驗潮數(shù)據(jù)基本都與多波束測量同時進行，所以可以僅考慮觀測誤差，一般不大于5 cm。而在近海和遠(yuǎn)洋的淺水區(qū)域測量中，大多采用潮汐預(yù)報，精度優(yōu)于±25 cm。

動態(tài)吃水一般觀測誤差也不大于5 cm，測量船航行時動態(tài)吃水變化的影響因素比較多，可以理解為動態(tài)吃水的不確定度為±5 cm。

升沉引起的不確定度的估計值可以由升沉幅度(1/2波高)乘以0.707計算得到[6]。假設(shè)沿岸水深測量條件是一、二級海況，波高為0.5 m，則升沉引起的不確定度為±0.176 75 m；近海水深測量(水深范圍一般100 m左右)條件為三級海況，波高范圍0.5~1.25 m，假設(shè)波高為1.25 m，則升沉引起的不確定度為±0.441 875 m。

在TVU的算式中，不隨深度變化的部分主要由潮汐預(yù)報的不確定度、動態(tài)吃水的不確定度和升沉引起的不確定度構(gòu)成。結(jié)合誤差傳播規(guī)律，可以得到細(xì)化的深度不確定度算式為

式中：e為潮汐預(yù)報不確定度；f為動態(tài)吃水不確定度；g為升沉不確定度。

因此，在有實測驗潮數(shù)據(jù)，一、二級海況條件下的沿岸測量精度為

則表6為在20 m水深處的測深不確定度。

表6　20 m水深處的測深不確定度　m

在無實測驗潮數(shù)據(jù)，三級海況的條件下的近海水深測量精度為

則表7為在100 m水深處的測深不確定度。

表7　100 m水深處的測深不確定度　m

對多波束一級測量而言，兩種潮汐改正后的精度均符合海道測量水深限差要求。在大于100 m水深的近海進行測量，通過潮汐預(yù)報，采用一、二、三級聲剖測量數(shù)據(jù)得到的測量結(jié)果符合限差要求。在20 m左右水深的沿岸多波束二級測量中，采用二級聲剖數(shù)據(jù)，在波高0.5 m的條件下，測量精度超出限差要求，這種情況下可以通過降低聲剖數(shù)據(jù)間隔差，或選擇在海況好的環(huán)境下實施測量。

令

在有實測驗潮數(shù)據(jù)的沿岸測量作業(yè)中，采用一級聲剖數(shù)據(jù)，波高在0.707 m以內(nèi)；采用二級聲剖數(shù)據(jù)，波高在0.373 m以內(nèi)，測量成果符合限差要求。

3歷史測量數(shù)據(jù)等級劃分與質(zhì)量評價

在多波束測量作業(yè)中，等級的劃分不是很明顯，當(dāng)前的測量部門對測量成果的評價指標(biāo)主要是通過主檢測深線深度點的比對來完成。

首先對不符值數(shù)列進行系統(tǒng)粗差檢驗，剔除系統(tǒng)誤差和粗差后，再進行主檢不符值計算。表8為2012年某測量數(shù)據(jù)質(zhì)量評價結(jié)果。

表8　主檢測深線深度點比對統(tǒng)計情況

該數(shù)值實質(zhì)隱含了吃水、涌浪、聲速、潮汐等多種動態(tài)海洋環(huán)境效應(yīng)改正因素的綜合影響，因此這些改正項是否精確和完善，通過主檢比得不到很好的反映[7]。并且在全覆蓋測量條件下，水深點的選擇、系統(tǒng)差、粗差的剔除等因素影響對結(jié)果的客觀評價。這種評價指標(biāo)對過程的質(zhì)量控制沒有實質(zhì)的指導(dǎo)價值，只能作為一個重要的參考。因此，測量過程的質(zhì)量評價應(yīng)該引起足夠的重視。

3.1聲剖數(shù)據(jù)的評價

在某次海洋多波束掃測作業(yè)中，技術(shù)文檔對聲剖數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析：將SV-Plus 8321采集的數(shù)據(jù)與高精度CTD采集的數(shù)據(jù)進行比對，聲速曲線相近，互差很小，證明SV-Plus 8321采集的數(shù)據(jù)滿足測量要求,如圖1所示。

圖1　8321聲剖數(shù)據(jù)與CTD數(shù)據(jù)比對

聲剖平均每天投放2次，如表9所示。

這些指標(biāo)是在技術(shù)文檔中，對聲剖數(shù)據(jù)的評價，憑此可以大致判斷聲剖數(shù)據(jù)是合格的，沒有更

多的說明與分析。

通過對2011~2013年測量任務(wù)中部分聲剖數(shù)據(jù)的各水層聲速進行平均值計算，通過對相鄰兩次測量的聲剖數(shù)據(jù)比較，然后對各水層聲速進行差值計算，求各水層聲速差的中誤差，定義為相鄰聲速中誤差，將該數(shù)據(jù)與上文介紹的等級測量聲剖指標(biāo)進行比對，形成對聲剖數(shù)據(jù)的質(zhì)量評價。

表9　聲剖投放次數(shù)和投放間隔

對2011~2013年中3次測量作業(yè)中的聲剖數(shù)據(jù)進行分析，如表10~表12所示。

表10　2011年測量任務(wù)部分聲剖數(shù)據(jù)計算結(jié)果

表11　2012年測量任務(wù)部分聲剖數(shù)據(jù)計算結(jié)果

表12　2013年測量任務(wù)部分聲剖數(shù)據(jù)計算結(jié)果

計算可得2011年相鄰4次聲剖數(shù)據(jù)的相鄰聲速中誤差為14.17m/s，4.81 m/s，7.621 m/s；2012年相鄰3次聲剖數(shù)據(jù)的中誤差為：1.88 m/s，0.42 m/s；2013年相鄰3次聲剖數(shù)據(jù)的中誤差為：0.99 m/s，1.39 m/s。

可以得出結(jié)論：

1)隨機抽取的聲剖連續(xù)數(shù)據(jù)，基本保持比較穩(wěn)定的中誤差；

2)2011年聲剖數(shù)據(jù)的聲剖投放時間間隔較長，中誤差較大，相鄰兩天的聲剖水層差也比較大，數(shù)據(jù)達(dá)不到一級測量質(zhì)量指標(biāo)，基本達(dá)到二級測量質(zhì)量指標(biāo)；

3)2012年、2013年聲剖測量數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，符合一級測量質(zhì)量指標(biāo)；

4)根據(jù)表11，第二次與第一次聲剖投放時間間隔較短，但中誤差卻大于時間間隔較長的第3次與第2次投放。

3.2測量環(huán)境的評價

多波束測量任務(wù)中，一般沒有將海況作為一個

數(shù)據(jù)指標(biāo)對測量成果進行評價，一般情況下，只要海況不是很差，船艇航行能較為平穩(wěn)，多波束測量系統(tǒng)能穩(wěn)定的獲取數(shù)據(jù)，就斷定該海況下可以進行測量作業(yè)。

通過上文的計算可知，在沿岸測量作業(yè)中，對波高的要求是比較高的，采用一級聲剖數(shù)據(jù)波高在0.707 m以內(nèi)，采用二級聲剖數(shù)據(jù)波高在0.373 m以內(nèi)。在近海測量作業(yè)中，采用一、二級聲剖數(shù)據(jù)，波高在1.25 m以內(nèi)時符合限差要求。

多波束一級測量作業(yè)需要對聲剖數(shù)據(jù)、潮汐預(yù)報精度和測量環(huán)境進行綜合分析，聲剖數(shù)據(jù)質(zhì)量高、潮汐資料精確，則測量環(huán)境可選擇性更大，但一般測量作業(yè)要優(yōu)于三級海況。

通過查看歷史技術(shù)文檔，發(fā)現(xiàn)一般沒有對海況進行描述，只有在海區(qū)概況中有歷史資料的簡單介紹，沒有對海況的實時情況進行記錄。另外，因為測區(qū)的海況惡劣而結(jié)束測量，會簡單說明原因，沒有描述具體海況，這種情況下的海況一般大于三級，對測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響較大。

4結(jié)束語

通過對測量資料進行整理與分析，發(fā)現(xiàn)聲剖的數(shù)據(jù)質(zhì)量與聲剖的投放間隔有一定相關(guān)性，以往的測量數(shù)據(jù)存在誤差較大情況，需要加大對測量數(shù)據(jù)進行嚴(yán)密的監(jiān)控。另外，目前在測量作業(yè)中對測量環(huán)境的評估不夠，應(yīng)明確測量環(huán)境對測量成果質(zhì)量的影響。本文的研究成果對完善現(xiàn)有的測量作業(yè)方式有一定的指導(dǎo)意義，對如何在測量過程中，實施有效的質(zhì)量監(jiān)控提供一定的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李家彪，王小波，華祖根，等.多波束勘查原理技術(shù)與方法[M].北京：海洋出版社，1999.

[2]黃辰虎，陸秀平，歐陽永忠，等.多波束水深測量誤差源分析與成果質(zhì)量評定[J].海洋測繪，2014,34(2)：1-6.

[3]趙建虎，劉經(jīng)南.多波束測深及圖像數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.

[4]黃辰虎，陸秀平，申家雙,等.海道測量水位改正通用模式研究[J].海洋測繪,2011，31(4)：13-16.

[5]劉勝旋，關(guān)永賢.多波束系統(tǒng)的參數(shù)誤差判斷及校正[J].海洋測繪，2002,22(1)：33-37.

[責(zé)任編輯：張德福]

摘要：分析多波束測量、輔助測量的數(shù)據(jù)精度，研究其對成果水深的影響程度，結(jié)合《海道測量規(guī)范》與《多波束水深測量技術(shù)規(guī)定》中的測量等級指標(biāo)，以及IHO規(guī)范中對水深不確定度的定義和傳播結(jié)構(gòu)的介紹，建立數(shù)學(xué)模型反解出符合規(guī)范的作業(yè)環(huán)境與輔助測量數(shù)據(jù)的等級指標(biāo)，提出明確的多波束測量作業(yè)精度控制的技術(shù)指標(biāo)，為測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量監(jiān)控建立更全面的評價標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：聲剖；潮汐；海況；不確定度

Precision control and standard indexes of multi-beam surveyingLIANG Zhicheng1，HUANG Wenqian2，WEI Shuai2，WU Jian1，ZHANG Junjie1

(1.China Navigation Publication Press，Tanggu 300450,China；2.Dept．of Hydrography and Cartograthy，Dalian Naval Academy，Dalian 116018,China)

Abstract：Analysis is made on the precision of multi-beam surveying and aided measurement, and its impact on depth.Combined with the description of the depth uncertainty in “Specifications for hydrographic survey” and “Technical regulation for depth measurement of multi-beam”,this paper establishes a mathematical model of inverse solution to meet the grade index specification of working environment and auxiliary measuring data. The technical indicators are provided to help the establishment of more comprehensive data evaluation for multi beamsurveying.

Key words：sound speed profile；tide；sea conditions；uncertainty

作者簡介：梁志誠(1986-)，男，助理工程師.

基金項目：海軍大連艦艇學(xué)院2110工程三期資助學(xué)術(shù)預(yù)研課題(DLJY-XY2014016)

收稿日期：2014-11-04；修回日期：2014-12-06

中圖分類號：P229

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)02-0057-04