關(guān)于航路掃海測量礙航物探測能力要求的分析與研究

肖俊艷

摘 要：本文利用目前現(xiàn)有的掃測手段，對航路掃海測量礙航物探測能力進(jìn)行分析與研究，為航路大范圍區(qū)域掃海測量方案的制定提供可靠依據(jù)，為保質(zhì)保量完成全部測量工作提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而提高工作效率，節(jié)約測量成本。

關(guān)鍵詞：航路；掃海測量；礙航物；探測能力

0 引 言

隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議的推進(jìn)實施，中國的海洋運(yùn)輸業(yè)呈快速發(fā)展趨勢。由于渤海所處的特殊經(jīng)濟(jì)地位和渤海自然因素的限制，超大型船舶航路規(guī)劃建設(shè)尤為重要。交通運(yùn)輸部海事局特制定了近年海事測繪工作計劃，組織北海航海保障中心天津海事測繪中心對渤海及以東水域7條干線雙向航路分期分階段進(jìn)行掃海測量工作，其目的是為獲取測區(qū)的水深情況、探明海底礙航物分布情況，為編繪所需的港口航道圖提供可靠的基礎(chǔ)資料。本文通過對2015年《煙臺至大連航路測量》，2015、2016年《老鐵山水道至秦皇島航路（部分）測量》，2017年《成山角至老鐵山航路（部分）測量》等大型干線雙向航路掃海測量獲取的成功經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)，重點針對航路掃海測量礙航物探測能力進(jìn)行闡述，供廣大海道測量人員參考。

1 航路礙航物探測能力要求的解讀

1）按照《IHO海道測量規(guī)范（S-44）》2008第5版要求，礙航物探測能力是以探測立方體的邊長大小作為衡量礙航物探測能力的指標(biāo)。特等水域（指水深普遍淺于（含）40m，船舶富裕吃水很小的區(qū)域，如港池、泊位、航道、底質(zhì)為巖石的水域），掃海測量探測能力要求能夠發(fā)現(xiàn)邊長大于1m的立方體海底特征物；一等（a類）水域（指水深普遍淺于（含）40m，但船舶在此航行有較大的富裕水深，或水深介于40m和100m，因礙航物等原因存在（含）40m水深或有潛在危險，如習(xí)慣性航路、定線制區(qū)域），掃海測量探測能力要求水深小于等于40m時能夠發(fā)現(xiàn)邊長大于2m的立方體海底特征物，水深大于40m時立方特征物為水深值10%；一等（b類）水域（指水深介于40m至100m（含）有礙航物存在但對船只航行不構(gòu)成影響）探測能力不作要求；二等水域（指水深普遍大于100m，只需要對海底水深一般描述可以滿足航行需要）探測能力不作要求。

2）按照《沿海港口航道測量技術(shù)要求》JT/T954-2014要求，掃海測量精度中是這樣描述礙航物探測能力的，見表1，并另外做了如下說明：

（1）當(dāng)水深小于30m時，掃海測量精度應(yīng)符合特等測量精度要求。當(dāng)水深大于30m時，掃海測量精度應(yīng)符合一等至二等測量精度要求。

（2）出于航海安全的考慮，可考慮使用精確的特等器械來掃海，以確保經(jīng)特等和一等測量的水域具有最小安全富裕水深。

（3）選定的40m水深值已考慮船舶最大的可能吃水。

3）綜上所述，航路掃海測量礙航物探測能力要求，當(dāng)水深小于30m時，掃海測量精度應(yīng)符合特等測量精度要求中系統(tǒng)探測能力要求，即能夠發(fā)現(xiàn)邊長大于1m的立方體海底特征物。當(dāng)水深大于30m時，掃海測量精度應(yīng)符合一等（a類）測量精度要求，即能夠發(fā)現(xiàn)邊長大于2m的立方體海底特征物；水深大于40m時，立方特征物為水深值10%。

2 航路掃海設(shè)備及精度指標(biāo)中探測能力的解讀

目前，航路掃海測量采用的掃海設(shè)備有側(cè)掃聲吶、多波束，不同型號的側(cè)掃聲吶、不同型號多波束精度指標(biāo)的探測能力不同。

1）側(cè)掃聲吶精度指標(biāo)探測能力解讀，儀器技術(shù)指標(biāo)中垂直航跡方向分辨率，是指垂直于航跡線方向所能探測到最小物體能力，同時應(yīng)注意要求的頻率、量程、船速等要求；沿航跡方向分辨率，是指沿航跡線方向所能探測到的最小物體，同時應(yīng)注意頻率、量程、船速的相關(guān)要求。以美國Edgetech公司生產(chǎn)的Edgetech 4200-MP雙頻側(cè)掃聲吶系統(tǒng)進(jìn)行解讀。Edgetech 4200-MP雙頻側(cè)掃聲吶系統(tǒng)精度指標(biāo)見表2：

根據(jù)上表技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，該儀器探測能力，垂直航跡方向，當(dāng)頻率100 kHz時分辨率為8cm，400kHz時分辨率2cm；沿航跡方向物體探測能力應(yīng)為水平波束寬度角度的 sin值乘以量程，即頻率100kHz時為sin0.64°*量程， 400kHz時為sin0.3°*量程（HDM指高精度模式，HSM指高速模式），一般測量船速控制在6～7kn左右。

2）多波束精度指標(biāo)探測能力解讀，儀器技術(shù)指標(biāo)中波束角大小決定探測物體能力， 以RESON SeaBat7125型多波束測深設(shè)備進(jìn)行解讀，該儀器波束角大小為400kHz：0.5°x 1°； 200kHz：1°x 2°；波束角角度的sin值乘以深度值即是物體的探測能力。

3） 綜上所述，航路掃海測量在掃海儀器選用上首先應(yīng)考慮所選儀器精度指標(biāo)中的探測能力能否滿足航路精度指標(biāo)要求，再次考慮選用寬深比大得多波束及側(cè)掃聲吶大量程的作業(yè)模式。

3 航路掃海方案的設(shè)計與測試

1） 在航路掃海方案設(shè)計時，首先應(yīng)考慮滿足規(guī)范要求的測量精度，其次應(yīng)考慮采用適合于超大面積測量的掃海設(shè)備，還應(yīng)考慮提高測量效率和成本的測量理念。渤海灣現(xiàn)有航路水深概略深度為20～80m，每條航路概略面積大于1 000km3為保質(zhì)、保量完成全部測量工作提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，按現(xiàn)有進(jìn)出渤海灣船舶最大可能吃水30m。根據(jù)目前航路情況，航路水深淺于30m時，掃海測量精度應(yīng)符合特等測量精度要求，即探測能力能發(fā)現(xiàn)1km3的物體。掃測方案設(shè)計時，為了滿足精度指標(biāo)基本選用多波束掃測，測線間距布設(shè)為水深4～5倍，船速控制在6～7kn，也可選用側(cè)掃聲吶掃海加單波束測深同時進(jìn)行的測量方式，測線間距布設(shè)為100m，量程150m，船速控制在6～7kn，上述兩種測量方法在航路掃測中，精度高，工作量大，成本高，效率低。2016年，《老鐵山水道至秦皇島航路（部分）測量》采用該設(shè)計方案。航路水深深于30m時，掃海測量精度應(yīng)符合一等（a類）測量精度要求，即探測能力能發(fā)現(xiàn)空間特征物大于2m3；水深大于40m時，立方特征物為水深值10%。掃測方案設(shè)計時為提高作業(yè)效率和保障掃測數(shù)據(jù)質(zhì)量，基本選用多波束加側(cè)掃聲吶兩種不同設(shè)備同時進(jìn)行的方式實施掃海測量。其中多波束測深系統(tǒng)提供水深的同時，其采集的數(shù)據(jù)彌補(bǔ)了側(cè)掃聲吶聲弱區(qū)聲吶影像變形大的缺點，可以顯著提高側(cè)掃聲吶聲弱區(qū)可疑信號辨識率。測線間距400～500m，單側(cè)量程300m，船速控制在6～7kn，但工前在測量海區(qū)內(nèi)預(yù)定深度進(jìn)行設(shè)計方案的測試，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行技術(shù)方案的調(diào)整，滿足精度指標(biāo)后方可掃海測量。2017年，《成山角至老鐵山航路（部分）測量》采用該設(shè)計方案。

2）為了驗證掃測方案的可行性對掃測方案進(jìn)行如下測試

將系有浮漂的大箱體（箱體體積的大小根據(jù)精度指標(biāo)而定），內(nèi)置沙石袋，拋擲到預(yù)定深度測區(qū)內(nèi)較平坦海域。待箱子在海底坐實穩(wěn)定后，用多波束掃測確定目標(biāo)物準(zhǔn)確位置及姿態(tài)，再調(diào)整測量船距浮漂的距離并按照掃測方案計劃預(yù)定測線進(jìn)行多次測試。測試過程中側(cè)掃聲吶選取HDM和HSM兩種模式下不同量程、不同距離、不同船速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過對聲吶圖像進(jìn)行判讀，選取代表性圖片進(jìn)行說明。測試過程中多波束選取覆蓋寬度、船速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行圖像判讀，選取代表性圖片進(jìn)行說明。側(cè)掃聲吶掃測結(jié)果顯示側(cè)掃聲吶在選取合適參數(shù)情況下，其聲吶圖像可發(fā)現(xiàn)實驗的目標(biāo)物，圖像清晰。多波束掃測結(jié)果顯示可發(fā)現(xiàn)實驗?zāi)繕?biāo)，圖像清晰，且能覆蓋側(cè)掃聲吶聲弱區(qū)寬度，標(biāo)注當(dāng)時測試船速。 綜合測試結(jié)果，確定測線間距、量程、測量模式、船速等相關(guān)參數(shù)，并應(yīng)保證相鄰掃測趟的有效探測區(qū)域能充分覆蓋，多波束測深數(shù)據(jù)可彌補(bǔ)聲吶聲弱區(qū)缺點，可滿足航路掃測方案要求。

4 結(jié)論和建議

綜上所述，本人建議超大型航路掃海測量采用多波束加側(cè)掃聲吶兩種不同設(shè)備同時進(jìn)行的方式實施掃海測量，該掃測方法實現(xiàn)了一個平臺多種設(shè)備共同使用，豐富了沉船等礙航物掃測方法，對其繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，可達(dá)到一次測量采集兩種數(shù)據(jù)、顯著提高作業(yè)效率的效果，但測量前一定在測區(qū)內(nèi)進(jìn)行掃測方案測試，滿足精度指標(biāo)后才能進(jìn)行，在測量工作中若發(fā)現(xiàn)新問題并及時更改和解決，2017年《成山角至老鐵山航路（部分）測量》是成功范例。