多波束測深技術優(yōu)勢與海洋測繪新思路

管孝漢

摘 要：多波束測深帶來了海洋測繪的重大技術變革，實現(xiàn)了測深由點、線到面的轉變。其高精度、高密度、全覆蓋、高效率的特點相對于單波束具有巨大的優(yōu)勢，正促進新的海洋測繪理念的形成。本文論述了多波束測深技術的優(yōu)勢特點，分析其在海圖測繪工序及水運工程測量方面所產(chǎn)生的影響，探析了海洋測繪新思路。

關鍵詞：多波束測深技術;單波束;海圖測繪;水運工程測量

中圖分類號：U612? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0051-02

相對于單波束，多波束測深技術實現(xiàn)了高精度、高效率、全覆蓋測深。經(jīng)過近20年的發(fā)展，其波束數(shù)也由初期的101個增加到目前最多512個，所測地形的精細度也達到了驚人的效果。多波束硬件的小型化、便攜化，及測量船只的小型化，降低了其外業(yè)成本，使得這一技術迅速普及應用。由此帶來了海洋測繪技術的革新，讓人不得不思考海洋測繪新的體系建設，以適應于這種海洋測繪技術的進步。

1 多波束測深技術優(yōu)勢

與單波束相比，多波束具有測點密度大、精度高、可視化等特點，能完成常規(guī)方法難以勝任的測深任務，優(yōu)勢明顯;此外，其波束開角（0.5?～1?）遠遠小于單波束開角（8 ?），在微地形探測方面開啟了新的應用領域。

1.1 單波束姿態(tài)改正的缺陷

單波束測量時，涌浪補償器只能修正對涌浪造成的升沉進行改正，對于測船的搖晃無法修正。由此帶來的測深誤差在低等級的水深測量時在可接受范圍，但在復雜地形或具有大坡度的工程體上測深時，其影響不可忽略。船體的搖擺造成測點位置的偏移，平面為ds，高程為dh，如下圖所示，ds=h·sinα（α為測船瞬間傾角），dh=ds·k（k為坡比），水深h取20m、測船傾角α取3?時，坡比k取1：1.5時，計算得ds=1.04m，dh=0.7m。這一偏差已超出《水運工程測量規(guī)范》（JTS131-2012）的精度要求（水深小于20m時，單波測深重合點互差限差為0.2m）。外業(yè)作業(yè)時，測船傾角超過3?的情況是很常見的，故復雜地形情況下單波束精度是很不理想的，因此國際海道測量組織（IHO）制定的新海道測量標準（IHO S -44）規(guī)定高級別的水深測量必須采用多波束（如圖1）。

不同于單波束，多波束的姿態(tài)系統(tǒng)可實時觀測船體的三維瞬姿態(tài)角，通過軟件修正波束發(fā)射角度，有效地解決測量載體姿態(tài)對測量結果的影響。

1.2多波束的測深精度

多波束測深的精度是比較高的。經(jīng)過近20年的發(fā)展，目前國內已形成了一套數(shù)據(jù)處理技術及誤差控制理論，在成果質量評定和控制方面也比較成熟。根據(jù)相關文獻研究結果[2]， RESON公司較早型號的Seabat8101多波束的中央波束在30m水深時，中間波束的平面及高程綜合誤差為0.034m和0.068m，這一數(shù)量級的誤差是單波束無法比擬的。目前最新型號的Seabat T50在各項技術指標上遠優(yōu)于高于Seabat8101，故其達到的精度還要更高。

1.3多波束的微地形探測能力

波束的開角越小，其“腳印”越小，代表其聲學探測能力越強。單波束的波束開角度為8°，多波束開角僅僅為0.5°～1°度。開角越小，在多波束的一個發(fā)射扇面上的波束也就越多，所測地形越精細。單波束只能通過加大測深比例，增加測點密度，但受限于其波束性能，其微地形的探測能力也是無法與多波束相比的。

2 基于多波束測深技術的海洋測繪新思路

2.1 海圖測繪工序改進的探索

海洋測繪的一個重要任務是海圖的測繪。海圖測繪的工序是在模擬測圖階段建立起來的，在今天數(shù)字測圖時代也沒有大的改變，其工序為：控制、水深、地形等的測深到海圖的編輯、加工和出版。這一工序已跟不上時代的步伐：一是更新周期較長（繁忙港口4年，一般海區(qū)為8年），滯后于港口航道的建設速度，數(shù)據(jù)發(fā)布更新不及時，給通航保障帶來不利影響;二是目前的海圖測繪主要為單波束，測深為中小比例：港內1：5000，近海1：15000，外海1：40000，難以滿足工程需要。多波束測深的條帶覆蓋寬度可達4倍以上水深，其作業(yè)效率很高，且實現(xiàn)全覆蓋測量，數(shù)據(jù)的價值是單波束無法比擬的。因此，采用多波束進行海圖測繪是可行的。結合多波束的技術特點，給出海圖測繪的新思路：①多波束全覆蓋測深，獲取海底精細地形，在此基礎上制作測區(qū)的DTM，以此建立海圖數(shù)據(jù)庫;②用圖層管理礙航障礙物和淺區(qū);③與海事及各當?shù)馗劭诠芾聿块T信息共享，及時獲取重要地形變化點，建立修測機制，及時更新障礙物及淺區(qū)圖層;④建立基于海圖數(shù)據(jù)庫的內業(yè)出版體系，提高內業(yè)效率，豐富海圖產(chǎn)品的種類，更好地服務社會。

2.2 對水運工程測量的影響

2.2.1疏浚工程建設方面

多波束測深的普及應用在水運工程測量產(chǎn)生了重大影響。例如，在航道疏浚工程項目中，經(jīng)典的建設方案為：初設階段采用1：5000比例單波束測圖，施工圖階段采用1：1000或1：2000單波束測圖。這是基于多波束測深技術普及之前的思路。由于單波束測深是點和線的概念，會漏測小型障礙物，根據(jù)建設經(jīng)驗，常在工程的施工或驗收階段才發(fā)現(xiàn)，進行補充設計。這樣造成工期滯后或投資誤差過大，不利于工程管理，影響工程建設進度。故考慮到多波束的全覆蓋特性，完全可以在初設階段或施工圖階段就采用多波束測深，實現(xiàn)精準設計，將大大提高工程建設的管理水平。

2.2.2水下隱蔽工程檢測方面

多波束測深獲得高分辨率的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了水下三維可視化，開辟了水下隱蔽工程的檢測的新天地。水下隱蔽工程的測量監(jiān)督是一個難點，傳統(tǒng)的手段為單波束測深、水砣測深、潛水員探摸，測量結果不理想。利用多波束測深高精度、高密度、三維可視化的特點，福建省港航管理局勘測中心已經(jīng)開展這方面的工作：從碼頭到防波堤，在施工階段及運營階段都取得了很好的效果，具體的案例有：廈門歐厝對臺碼頭三維可視化檢測以及浙江蒼南電廠防波堤運營期檢測。水下隱蔽工程可視化檢測的應用思路為：①基槽開挖時利用泥漿密度計配合多波束測深實現(xiàn)基槽的細部測量;②基床回填整平后利用多波束測深進行三維可視測圖，測出基床的肩部細節(jié)，直觀地評估基床整平效果;③承箱安裝后多波束測深結合三維掃描儀（一種測站式微型高精度多波束）對碼頭前趾及承箱接縫進行測量，評估承箱安裝質量;④運營期定期用多波束掃測承箱的箱體及碼頭前趾的水流沖刷情況。

2.2.3 疏浚工程量計算方面

港口與航道的疏浚工程中工程量的計算涉及巨大的經(jīng)濟利益（水深測量誤差1厘米對應的工程量為每平方公里1萬立方），因此水深測量精度的微量提高對于大面積水域的疏浚工程量具有重大意義。根據(jù)《水運工程測量規(guī)范》（JTS131-2012），單波束測深數(shù)據(jù)用于計算工程量時，采用隨機等間距的方式取點，該思想是利用隨機等效影響的概念保障計算精度。而多波束測深可測得地表細節(jié)，利用高密度的多波束數(shù)據(jù)可精確計算工程量。然而原始的多波束測點間距為分米級，造成海量數(shù)據(jù)，不利于計算機運算，因此需要建立新的數(shù)據(jù)選取機制。主流的方格網(wǎng)法或等間距法選點均導致地形不同程度的失真，容易忽略地形特征點。筆者根據(jù)應用經(jīng)驗，提出新的數(shù)據(jù)壓縮方法：地形特征值法。該方法以最原始的高密度多波束數(shù)據(jù)為基礎，相鄰的4個測深點構成一個四棱錐，視為一個微地形單元。設置該棱椎的幾何參數(shù)作為選點門限，區(qū)分出平坦地形和復雜地形，實現(xiàn)選取的水深點既不冗繁，又能準確體現(xiàn)地形特征。這樣既實現(xiàn)了數(shù)據(jù)大幅壓縮，又保障了地形細節(jié)的真實表達，既解決數(shù)據(jù)冗繁的問題，又保障計算精度。

3 結束語

多波束測深技術的不斷進步，引發(fā)了海洋測繪理論與方法的革新，表現(xiàn)在目前在海圖測繪工序、水運工程測量的許多領域已經(jīng)引起了變革。因此迫切需要建立新的海洋測繪體系，來適應這一先進技術的應用，以便更好地發(fā)揮其價值。

參考文獻：

[1]劉果. 海洋測繪中多波束測深技術的應用趨勢[J]. 科技創(chuàng)新與應用， 2016（15）：298-298.

[2] 田勛.肖付民.朱小辰，等.多波束測深系統(tǒng)各誤差的傳播影響規(guī)律分析[J]. 海洋測繪， 2011（31）：23-27.