關(guān)于多波束對海底地形圖的繪制分析

辛保穩(wěn)+張超

【摘要】隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對海洋開發(fā)和保護力度將會不斷深入，海底地形成為人們了解海洋，開發(fā)和保護海洋的一個重要方面，本文將對多波束測深系統(tǒng)進行海底地形圖的繪制方法進行分析。

【關(guān)鍵詞】多波束；海底地形圖；繪制

前言

近年來，隨著海洋開發(fā)力度的不斷深入，世界沿海大國在維護國家海洋權(quán)益、合理有效開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟、保護海洋生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)海洋資源、環(huán)境的可持續(xù)利用發(fā)展已經(jīng)作為各國的發(fā)展重大戰(zhàn)略。而做好海洋勘察工作，才是海洋經(jīng)濟得以有效發(fā)展和保護的基礎，海底地形測量又成為海洋勘察工作中的一個重要組成方面。本文將探討多波束測深系統(tǒng)進行海底地形圖的繪制方法，以更好的提高對海洋資源的開發(fā)利用和有效保護。

一、多波束系統(tǒng)

多波束測深系統(tǒng)是一種高精度、高效率和高分辨率的測深儀器，其技術(shù)是由水聲技術(shù)、計算機技術(shù)、導航定位技術(shù)以及數(shù)字化傳感器技術(shù)等多類型高度集成，多波束系統(tǒng)的組成單元組成又分為聲學系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與外圍輔助傳感器這四個部分。多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用多波束測深系統(tǒng)開啟波束的觸發(fā)，經(jīng)聲波發(fā)射和接收換能器陣完成聲波廣角度定向發(fā)射、接收后并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，反算出其測量距離或記錄往返時間，然后利用定位設備、姿態(tài)儀、聲速剖面儀與電羅經(jīng)等儀器設備實現(xiàn)船舶瞬時位置、姿態(tài)、航向的測定和海水中聲速的傳播特性。在同船舶航向垂直的垂面里面同時發(fā)射240*1.0度的波束，產(chǎn)生條幅式濃密度水深大小數(shù)據(jù)，可以精準、及時地測量出沿航線特定寬度條帶內(nèi)水底下目標物的大小、形狀與高低大小狀況，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)開始計算，計算的數(shù)據(jù)是聲速、姿態(tài)、定位、聲速剖面與潮位等信息的綜合，從而得到波束腳印的深度和坐標，以此精確可靠地描繪出海底地形地貌的地形圖特征。多波束系統(tǒng)完全改變了以往測深方法，與單波束回聲測深儀進行比較，其優(yōu)勢也非常明顯，在測量的橫向覆蓋范圍更廣、測量的速度也更迅速、精度與效率也更高，還有記錄數(shù)字化與實時自動繪圖等優(yōu)勢。

二、多波束測深數(shù)據(jù)處理

多波束測深數(shù)據(jù)量非常大，要用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理工作站和數(shù)據(jù)處理軟件操作。如果在測量進行中存在儀器噪聲、海況因素、多波束系統(tǒng)參數(shù)沒有符合要求的設置，就會造成測量出來的水深不合理或者假信號的出現(xiàn)，形成虛假地形。為了杜絕這些問題的發(fā)生，我們需要實時采集的多波束資料給予數(shù)據(jù)編輯，把假信息刪除，以得到真實的數(shù)據(jù)信息，那就需要做到以下幾個方面：

1、數(shù)據(jù)的預處理。由于數(shù)據(jù)來源是參差不齊，層次概念模糊不清，就需要對數(shù)據(jù)進行預處理，在對海洋水深數(shù)據(jù)中需要做的就是對水深數(shù)據(jù)編輯和清理前的改正預處理。改正方面主要涉及到水位高低、橫搖、聲速、吃水、縱搖和時間延遲等方面的改正，如果在外業(yè)已經(jīng)對這些方面進行改正過的，在內(nèi)業(yè)就不需要再改正，假設檢查出沒改正好的，可以在內(nèi)業(yè)繼續(xù)改正。然后將測量好的改正參數(shù)按數(shù)據(jù)處理軟件的格式輸入軟件系統(tǒng)進行自動改正。

2、定位數(shù)據(jù)的編輯和處理工作。定位數(shù)據(jù)的精度會受到衛(wèi)星信號質(zhì)量、信標臺信息傳送質(zhì)量和信號盲區(qū)或者是天氣、海況等多方面的因素影響，造成定位資料出現(xiàn)錯誤，尤其是偏離真實處的“飛點”狀況發(fā)生。多波束數(shù)據(jù)處理軟件具有對定位數(shù)據(jù)的處理功能，如對可疑的導航數(shù)據(jù)給予剔除，只需要數(shù)據(jù)處理者對測量的實際情況做參數(shù)設置。在具體實例中，我們可以看見當其誤差絕對值超過2-3倍中誤差時就會被認為是可疑數(shù)據(jù)，然后進行剔除。但是異常數(shù)據(jù)占全部定位數(shù)據(jù)的比例過大時，就要做具體分析，才能處理。

3、水深數(shù)據(jù)的處理。多波束測量的海底地形會造成誤差、界外值、以及失敗的檢測，檢查人員就需要查看這些海底檢測，然后做出決定。水深數(shù)據(jù)處理任務是一個系統(tǒng)過程，主要是采用自動清理與人機交互的方法清理出錯誤水深，剔除虛假信息，和一些不可能的孤立點、躍點與噪音的剔除，并保留真實信息。

三、海底地形圖的繪制過程

海底地形成果圖應包含水深地形圖、彩色立體圖和影象圖等方面。利用多波束數(shù)據(jù)成圖比較復雜，多波束數(shù)據(jù)量非常大，而成果圖圖載信息又非常少，不可能把全部測量的水深點都繪制到成果圖上，這就要對多波束的最原始數(shù)據(jù)給予處理，根據(jù)需要，成圖比例尺來壓縮數(shù)據(jù)量，然后將可以反映地形特征的數(shù)據(jù)信息表達在成果圖中。對多波束數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理是對測量結(jié)果影響很大的一個過程。網(wǎng)格就是指規(guī)則格網(wǎng)（GRID），結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)存儲量不大、計算分析方便有效等方面的優(yōu)點。而多波束數(shù)據(jù)量大，利用網(wǎng)格化不僅能提高效率，同時還不損失網(wǎng)格化精度，也有利于地形分析。

通過網(wǎng)格化生成DTM后，也就生成了各自各樣的成果圖，包括水深地形圖、多彩立體圖和影象圖等的圖形。網(wǎng)格內(nèi)插方法是DTM的最重要方面，對DTM的精度有非常大的影響。多波束網(wǎng)格的內(nèi)插方法包括距離加權(quán)內(nèi)插法、Kriging內(nèi)插法和高斯加權(quán)平均內(nèi)插法等方法。無論選擇多波束網(wǎng)格的內(nèi)插方法總哪一種，在確保插值的精度與效率時，要對網(wǎng)格大小，搜索范圍大小等方面的參數(shù)根據(jù)具體數(shù)據(jù)情況進行設置。如1：1000的圖，網(wǎng)格大小為1m。1：5000的圖，網(wǎng)格大小為5m。我們所看見的水深圖，就是按照比例尺來成圖，保證圖上1cm有一個水深點，1：1000的水深圖，至少10m一個水深點，按照需要進行加密，在網(wǎng)格化時，是圖上1mm一個點，可以保證成圖的精度。在海底地形圖繪制的具體操作時，首先完成數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后，要把grd文件保存或者是轉(zhuǎn)換為MapGIS能接受的數(shù)據(jù)類型。MapGIS作為一款集圖像圖形處理、空間分析、數(shù)據(jù)庫管理為一體的文件格式軟件，當前只接受SufferV6格式的二進制辱nd文件。等深線和3D陰影圖以直接應用DTM生成，3D陰影圖的繪制使用SufferV8，讓系統(tǒng)自動生成3D陰影圖。但是還需要對視場參數(shù)做調(diào)整，如正交投影，傾斜角=90。，方位角=O。，視場值=1。海底地形圖通常的表現(xiàn)形式還是以等深線為主，3D陰影圖也只是當做背景使用，以達到增強立體感效果，提高其使用讀圖效果。如果立體感太強，就會造成等深線的閱讀能力降低，所以存調(diào)整比例中縱向比例尺寸不要過大。同時在配色上需要多采用亮色，光照的亮度增大一些，以襯托出等深線的效果?？梢哉f用多波束對海底無遺漏的測量，繪制的圖對海底地形特征的表達更形象直觀，而且也更加的細致、精確。

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