多波束測(cè)深系統(tǒng)在海上風(fēng)電場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用

劉新華，吳猛

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663；2.廣東科諾勘測(cè)工程有限公司，廣州510663）

廣東作為海洋大省，廣東省政府已把發(fā)展海上風(fēng)電作為可再生資源開發(fā)利用的重要方向［1-2］。隨著人類對(duì)海洋資源和環(huán)境開發(fā)研究活動(dòng)的不斷增多，人們對(duì)了解海底地形地貌的要求日益提高。如何去獲取更加詳細(xì)的海底地形地貌信息成了海上風(fēng)電場(chǎng)測(cè)量中最重要的工作［3-5］。

傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法（如測(cè)深桿法、測(cè)深錘法、回聲測(cè)深儀法、RTK測(cè)量）只能簡(jiǎn)單獲取水深信息，對(duì)水下地形信息卻無能為力。單波束測(cè)深系統(tǒng)在一定程度上解決了水下地形測(cè)量問題，但在測(cè)量效率和精度上有較大的局限性，無法滿足當(dāng)今的需求。近年來，多波束測(cè)深系統(tǒng)在海洋測(cè)量中逐漸受到高度重視，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，取得了一批顯著成果。隨著多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷深入和擴(kuò)展，其全覆蓋式測(cè)量、高效率、高密度采集、高分辨率和成果信息豐富［6］等特點(diǎn)被越來越多的同行所認(rèn)同，應(yīng)用也越來越廣泛。特別是在進(jìn)行大面積的海上風(fēng)電場(chǎng)海底地形測(cè)繪中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。我院作為國(guó)內(nèi)唯一獲得海洋工程勘察全部三個(gè)專業(yè)的甲級(jí)資質(zhì)的電力行業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)，擁有精良的海洋勘察設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)，截止2020年底，我院勘察團(tuán)隊(duì)已完成30多個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目勘察，勘察面積約1 500 km2，積累了豐富的海上風(fēng)電勘察經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

本文以廣東某一海上浮式風(fēng)電裝備研制項(xiàng)目為案例，詳細(xì)介紹了多波束測(cè)深系統(tǒng)在該項(xiàng)目的實(shí)施過程，對(duì)最終的測(cè)量成果進(jìn)行精度分析，結(jié)果表明多波束測(cè)深系統(tǒng)在海上風(fēng)電場(chǎng)地形測(cè)量中精度和效率更高，三維展示成果更加直觀。

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理和組成

1.1 工作原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，接收換能器接收窄波束，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)海底地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚恚淮翁綔y(cè)就能給出與航向垂直的垂面上百個(gè)甚至更多的海底被測(cè)點(diǎn)的水深值［7］，從而能夠精確、快速地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地繪出海底地形的三維特征［8-9］。

1.2 Reson SeaBat T50-P系統(tǒng)組成

SeaBat T50-P多波束測(cè)深系統(tǒng)是由丹麥RESON公司研制的一款便攜式多波束測(cè)深系統(tǒng)，具有大掃寬角度、波束數(shù)量多、工作頻率范圍大、測(cè)深分辨率高、高度集成、安裝便捷及作用方便等特點(diǎn)。系統(tǒng)主要由多波束聲學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、外圍輔助設(shè)備和成果輸出系統(tǒng)組成。主要的設(shè)備包括：換能器及處理單元、POSMV慣導(dǎo)系統(tǒng)、聲速剖面儀、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和處理軟件，系統(tǒng)主要設(shè)備見圖1。

Reson SeaBat T50-P多波束測(cè)深系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

圖1 SeaBat T50-P系統(tǒng)組成Fig.1 SeaBat T50-P system components

表1 多波束測(cè)深系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of multi-beam sounding system

廣東某一海上浮式風(fēng)電裝備研制項(xiàng)目位于廣東省湛江市徐聞縣東側(cè)海域，場(chǎng)址中心坐標(biāo)為北緯20.318°，東經(jīng)110.579°，面積約7.6 km2，場(chǎng)址中心離岸距離約13 km，水深32～78 m。本項(xiàng)目擬安裝1臺(tái)單機(jī)容量為5 MW風(fēng)電機(jī)組，完成“海上浮式風(fēng)電裝備研制”工程示范要求，并開發(fā)利用良好的風(fēng)能資源，向電網(wǎng)提供清潔的可再生能源。通過資料收集，項(xiàng)目所在區(qū)域海底表層底質(zhì)以粉砂、細(xì)沙為主；同時(shí)項(xiàng)目地處北回歸線以南的低緯地帶，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，冬季NE－E風(fēng)向較多，夏季ESE－SSE風(fēng)向較多，多年月平均風(fēng)速為2.4～3.5 m/s；年平均氣溫為24.5℃，潮汐類型為不正規(guī)半日混合潮；海水溫度最高值為30.86℃，最低海水溫度值為28.71℃。測(cè)區(qū)地理位置見圖2。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施

2.2.1 測(cè)線布置

主測(cè)線沿測(cè)區(qū)南北走向布設(shè)，測(cè)線間距為100 m，保證多波束能全覆蓋掃測(cè)，且其有效條帶重合度大于條帶寬度的15%；檢測(cè)線垂直于主測(cè)線，檢測(cè)線間距為1 200 m，檢查線長(zhǎng)度約占主測(cè)線數(shù)的7.5%，多于規(guī)范要求的5%要求。

圖2 測(cè)區(qū)地理位置圖Fig.2 Geographical location map of the survey area

2.2.2 聲速剖面測(cè)量

為了獲取高精度多波束水深數(shù)據(jù)，每日作業(yè)前、作業(yè)中、作業(yè)后在測(cè)區(qū)兩端與中央的水域測(cè)定聲速剖面，確保投放的單個(gè)聲速剖面儀投放位置控制范圍小于5 km，聲速剖面測(cè)量時(shí)間間隔小于6 h，測(cè)量的聲速剖面位置為附近水域最深水深，表面聲速變化大于2 m/s時(shí)重新測(cè)定聲速剖面。通過數(shù)日的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，作業(yè)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)的表面聲速約為1 530 m/s。聲速剖面曲線圖見圖3。

圖3 聲速剖面曲線Fig.3 Curve of sound velocity profile

2.2.3 潮位觀測(cè)

測(cè)區(qū)距離岸邊約13 km，水深測(cè)量時(shí)采用GPS RTK技術(shù)測(cè)量作業(yè)區(qū)域的水位變化，并根據(jù)實(shí)測(cè)的水面高數(shù)據(jù)生成當(dāng)日的潮位文件，用于改正多波束水深測(cè)量值。

2.2.4 多波束安裝和調(diào)試

SeaBat T50-P多波束的換能器采用舷側(cè)安裝法安裝，裝在船中部牢固不活動(dòng)的部位，此位置遠(yuǎn)離船主機(jī)、泵和螺旋槳并有效避免勘察船搖擺及噪音干擾，其他儀器設(shè)備均安裝在其合適位置。POS MV定姿定位系統(tǒng)，IMU和換能器通過剛性連接安裝在一起。多波束安裝相對(duì)位置見圖4。

圖4 多波束安裝相對(duì)位置Fig.4 Multi-beam mounting relative position

設(shè)備安裝完畢后，對(duì)各設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)試，所有設(shè)備測(cè)試正常后才可進(jìn)行下一步工作。

2.2.5 多波束校準(zhǔn)

為了確定多波束換能器的初始安裝角度，需要進(jìn)行多波束校準(zhǔn)測(cè)量。在測(cè)區(qū)附近水域布設(shè)合適的測(cè)線，分別校正橫搖差（Roll）、縱搖差（Pitch）、艏搖差（Yaw）及船舶動(dòng)吃水測(cè)定等項(xiàng)［10］，各校正參數(shù)按照相應(yīng)的方法進(jìn)行。經(jīng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集，通過軟件校準(zhǔn)計(jì)算求得各改正值，橫搖（Roll）：0.06°；縱搖（Pitch）：-0.77°；航向（Yaw）：0.06°。

根據(jù)校正結(jié)果對(duì)采集的4條測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行Roll，Pitch，Yaw參數(shù)校正并進(jìn)行數(shù)據(jù)合并檢驗(yàn)，合并結(jié)果顯示測(cè)線之間拼接情況良好，因此，本次校正參數(shù)符合要求，可用于本次多波束正常作業(yè)波。多波束校正作業(yè)區(qū)域和測(cè)線見圖5。

2.2.6 多波束數(shù)據(jù)采集

多波束外業(yè)測(cè)量采集的數(shù)據(jù)主要包括GPS定位數(shù)據(jù)、多波束測(cè)深數(shù)據(jù)、光纖羅經(jīng)的羅經(jīng)姿態(tài)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的一些基本數(shù)據(jù)。外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)使用Sonar UI多波束控制軟件和PDSControl Center數(shù)據(jù)采集軟件，測(cè)量期間，每天觀察吃水變化，并量取變化值做好記錄，測(cè)量船作業(yè)時(shí)船速控制在5節(jié)左右，不大于6節(jié)，保證測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。測(cè)量過程嚴(yán)格按照操作說明作業(yè)，設(shè)備工作正常，軟件運(yùn)行穩(wěn)定。多波束外業(yè)測(cè)量見圖6。

2.2.7 側(cè)掃聲吶障礙探測(cè)

圖5 多波束校正作業(yè)區(qū)域和測(cè)線Fig.5 Multi-beam calibration of operating areas and survey lines

圖6 多波束外業(yè)測(cè)量Fig.6 Multi-beam field survey

在調(diào)查中，側(cè)掃聲吶采用船舷拖拽方式，放纜長(zhǎng)度約8 m。工作前，我們對(duì)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的狀態(tài)調(diào)試，調(diào)試的主要內(nèi)容包括：拖魚入水深度、側(cè)掃作業(yè)模式的選定、信號(hào)的發(fā)射與接收、增益、TVG調(diào)節(jié)等。側(cè)掃聲吶作業(yè)時(shí)船速控制在5節(jié)以內(nèi)，這樣既能保證質(zhì)量，又能提高作業(yè)效率。

3 數(shù)據(jù)處理

多波束數(shù)據(jù)處理采用CARISHIPS軟件，在處理前，檢查各傳感器的偏移量、系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，基本的處理流程如下：

1）創(chuàng)建新項(xiàng)目，建立船型文件。

2）聲速文件的編輯，按CARIS要求的格式導(dǎo)入聲速數(shù)據(jù)。

3）潮位文件的編輯，按CARIS要求的格式導(dǎo)入潮位數(shù)據(jù)，潮時(shí)采用UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

4）將PDS數(shù)據(jù)導(dǎo)入Caris。

5）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位改正、聲速改正及Merge合并。

6）編輯水深數(shù)據(jù)，利用Caris軟件的Swath Editor、Subset Editor等編輯模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除。

7）計(jì)算總傳播誤差，并建立實(shí)測(cè)地域圖（Field Sheets），然后采用CUBE加權(quán)平均算法建立加權(quán)平均水深數(shù)據(jù)曲面（Base Surface），該算法是當(dāng)前最先進(jìn)的半自動(dòng)多波束數(shù)據(jù)處理方法。本工程建立了分辨率為1 m的水深曲面。

8）由CARISHIPS軟件輸出標(biāo)準(zhǔn)的ASCII文件格式，用于水深圖的繪制。多波束數(shù)據(jù)后處理流程見圖7。

圖7 多波束數(shù)據(jù)處理流程Fig.7 Multi-beam data processing

4 成果分析

利用Caris軟件根據(jù)以上數(shù)據(jù)處理流程，分別得到了測(cè)區(qū)內(nèi)1 m及5 m格網(wǎng)的數(shù)字高程模型見圖8。通過數(shù)字高程模型可以直觀地看出1 m格網(wǎng)比5 m格網(wǎng)的數(shù)字高程模型精細(xì)化程度高，更能清晰的表達(dá)地形地貌特征。海底地形主要以鏈狀沙坡地貌為主；但在測(cè)區(qū)的東側(cè)有一處凹坑，長(zhǎng)約380 m，寬約110 m，最深處約89.2 m，海底有較多長(zhǎng)短不一的沙波地貌，走向?yàn)闁|西方向，個(gè)別沙坡長(zhǎng)約680 m，高差達(dá)15 m，最大坡度約為11°。整個(gè)區(qū)域的地形呈南高北低，部分?jǐn)嗝鎴D見圖9，三維效果圖見圖10。

圖8 數(shù)字高程模型Fig.8 Digital elevation model

圖9 斷面圖Fig.9 Profile

圖10 三維效果圖Fig.10 3D effect graphic

將Caris7.0數(shù)據(jù)處理完成后得到的XYZ成果，利用南方CASS軟件按1∶1 000比例尺繪制水深圖。按相應(yīng)規(guī)范要求繪制各要素和標(biāo)注形式，最終生成數(shù)字線劃圖見圖11。從數(shù)字線劃圖中等高線的稀疏密度可看出，在有沙坡的區(qū)域地形變化較明顯。

圖11 數(shù)字線劃圖Fig.11 Digital line graphic

通過SonarWiz.Map軟件對(duì)每條數(shù)據(jù)輸入位置偏移量進(jìn)行改正，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的拼接，提取有利用價(jià)值的地物，對(duì)地物的尺寸、高度、屬性等進(jìn)行解譯，處理完畢后輸出TIF圖形文件和地物分析報(bào)告。側(cè)掃聲吶障礙物探測(cè)結(jié)果見圖12。

圖12 側(cè)掃聲吶障礙物探測(cè)結(jié)果Fig.12 Obstacle detection results from side scan sonar

從側(cè)掃聲吶障礙物探測(cè)結(jié)果可以看出，該區(qū)域的地物主要是沙波地貌，期間沒有發(fā)現(xiàn)沉船、大礁石、管道等障礙物。

5 精度評(píng)定

十字交叉水深精度評(píng)估方法既是單波束測(cè)深的傳統(tǒng)水深精度評(píng)估方法，也是多波束測(cè)深的有效水深精度評(píng)估方法［11-13］。該方法考慮了多波束系統(tǒng)換能器、各傳感器的隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和換能器、各傳感器空間安裝的組合誤差，因此該方法是除沒有考慮水深系統(tǒng)誤差外的最為有效的水深精度評(píng)估方法。參照《海洋調(diào)查規(guī)范第10部分：海底地形地貌調(diào)查》（GB/T 12763.10—2007）規(guī)范及《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（GB/T 24356—2009）［14-15］，利用主測(cè)線與檢測(cè)線重合點(diǎn)水深不符值，進(jìn)行水深測(cè)量準(zhǔn)確度估計(jì)［16］。本工程通過主測(cè)線和檢查線深度比對(duì)（檢查半徑為圖上1 mm），有效檢查水深點(diǎn)1 902個(gè)，精度對(duì)比情況見圖13。從表可知本次多波束測(cè)量精度滿足規(guī)范要求，成果質(zhì)量可靠。

圖13 精度對(duì)比情況Fig.13 Accuracy comparison

6 結(jié) 論

本文介紹了SeaBat T50-P多波束測(cè)深系統(tǒng)在海上風(fēng)電項(xiàng)目中的具體應(yīng)用，重點(diǎn)論述了多波束的測(cè)量原理及實(shí)施的關(guān)鍵步驟，并對(duì)測(cè)量成果的精度進(jìn)行了詳細(xì)分析，表明SeaBat T50-P多波束測(cè)深系統(tǒng)在此次海上風(fēng)電場(chǎng)地形測(cè)量中成果合格，質(zhì)量可靠，滿足工程的需要。

近年來，多波束測(cè)深的技術(shù)發(fā)展迅速，儀器結(jié)構(gòu)方面向更小的體積和重量、更高的集成度以及更靈活的安裝和維修方面發(fā)展。數(shù)據(jù)處理軟件更加自動(dòng)化、智能化、精細(xì)化，圖像處理速度更快，功能更加完善以及成果表達(dá)更加豐富等方面發(fā)展。

隨著海上風(fēng)電開發(fā)活動(dòng)由近海向深海發(fā)展，多波束測(cè)深系統(tǒng)將成為深水區(qū)地形測(cè)量的主要技術(shù)手段，在海上風(fēng)電開發(fā)活動(dòng)中的將會(huì)發(fā)揮著越來越重要的作用，多波束測(cè)深系統(tǒng)在深水區(qū)地形測(cè)量的應(yīng)用將會(huì)是我們一下步研究的重點(diǎn)方向。