多波束測深系統(tǒng)水下地形測量關鍵技術與精度評估

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（江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210024）

0.引言

目前海洋基礎建設是海洋資源開發(fā)的重要方向，海洋基礎建設主要包括了海上風電系統(tǒng)、海上路由平臺建設、海底電纜建設、海底管線建設、海洋鉆探等，水下地形地貌的精準詳細繪制是各類項目工程的建設基礎，為詳細了解海洋環(huán)境，準確獲取海洋地形地貌，通常采用多波束測深技術[1]。多波束測深技術基于單頻測深系統(tǒng)的回聲探測原理，在傳統(tǒng)單波束的基礎上多波束測深技術融入了自動化成圖、數(shù)字化記錄、GNSS定位技術，與傳統(tǒng)單波束技術相比探測面積大、分辨率高、工作效率更快，可進行條帶覆蓋式測量，突破了傳統(tǒng)的點、線測量，實現(xiàn)了水下測量?，F(xiàn)階段多波束測量技術被廣泛應用在海底管道檢測、碼頭建設、水庫測量、水文測量、河道疏浚以及海洋資源調查、海洋環(huán)境檢查、水下打撈救援等多個領域。

多波束測深系統(tǒng)可快速獲取大量點云數(shù)據(jù)，目前，一條測量帶即可獲取超十萬個測點數(shù)據(jù)，針對如此龐大的點云數(shù)據(jù)必然存在大量的噪聲數(shù)據(jù)，對地貌地物識別提高了難度。在考慮聲速剖面、聲納參數(shù)以及實時海況等客觀因素影響的情況下，有效的激光點云數(shù)據(jù)則會更少，反而噪聲數(shù)據(jù)更多，為準確詳細地獲取水下地形地貌，需要對多波束測深系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)進行濾波處理。由于受到海洋多徑效應、實時海況等因素影響傳統(tǒng)的濾波影響，為此本文選擇具有魯棒性的空間自適應波束形成算法進行濾波處理，結合實驗與其他濾波方法進行了對比分析。

1.多波束測深系統(tǒng)原理

1.1 多波束測深系統(tǒng)工作原理

多波束測深系統(tǒng)利用換能器通過聲信號發(fā)射扇形陣列，信號發(fā)射后經海底反射，可通過換能器接收窄波束內的散射信號，在換能器接收回波信號時，接收陣列會同步記錄時間和回波角度。在此過程中聲信號會在海底會形成一塊矩形投影，通過聲信號投影以及其他參數(shù)進行測深計算，通過測深值反向推導水下相應位置的高低，構建海底模型，獲取水下地形地貌（如圖1所示）。與單波束相比，多波束進行了技術突破，利用主動聲吶系統(tǒng)，可以實現(xiàn)同步多個相鄰窄波束的獲取，測量過程中實現(xiàn)了帶狀覆蓋測深，在帶狀區(qū)域內可進行多點測深，從單波束的“點-線”測深跨越實現(xiàn)了“線-面”測深。

圖1 多波束測深原理圖

1.2 多波束測深系統(tǒng)組成

多波束測深系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組合的高度集成系統(tǒng)，主要包含了具有發(fā)射接收聲信號的換能器陣列，記錄軌跡形態(tài)的姿態(tài)傳感器、深度傳感器、導航傳感器，聲速探測的聲速剖面儀，記錄實時位置的導航傳感器以及各類信息數(shù)字化處理設備。根據(jù)各子系統(tǒng)的不同特點大致可分為三類[2]：多波束聲學單元、多波束輔助系統(tǒng)、計算機控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（如圖2所示）：

圖2 多波束測深系統(tǒng)組成

（1）多波束聲學單元：包括換能器和聲波信號控制設備，換能器主要負責聲波波束的發(fā)射與接收，聲波信號控制設備主要負責將聲波信號轉換為數(shù)字信號，并記錄聲波波束收發(fā)時間并進行距離計算。

（2）多波束輔助系統(tǒng)：包括GPS、電羅經等實時定位導航設備，用于位姿記錄的姿態(tài)傳感器，用于聲速測量的聲速剖面儀以及驗潮儀等。

（3）計算機控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：包括用于多波束數(shù)據(jù)控制處理的軟硬件設備、進行數(shù)據(jù)實時同步展示的顯示設備以及數(shù)據(jù)傳輸、存儲、輸出設備。

1.3 多波束測深誤差分析

多波束是由多個單元組合后構成的復雜多元系統(tǒng)，同時在設備安裝過程中容易發(fā)生安裝位置精準度不夠、數(shù)據(jù)采集過程中設備松動等問題，因此在利用多波束測深進行水下數(shù)據(jù)采集時會產生各種誤差，其中粗差和系統(tǒng)誤差對數(shù)據(jù)質量影響較為嚴重。為降低誤差對數(shù)據(jù)質量的影響，提高測量精度，需進行誤差校正處理。

2.多波束測深系統(tǒng)誤差處理

基于統(tǒng)計學的多波束濾波方法算法簡單，對于密度較低的噪聲濾波效果較好，但存在自動化程度低、對于密度較大的噪聲識別效果差、邊界噪聲區(qū)分不明顯等問題。本文選擇采用基于趨勢面的多波束濾波方法，該方法在原有的統(tǒng)計學濾波的基礎上融合數(shù)據(jù)空間分布關系算法，被廣泛應用于多波束點云濾波處理中。

為解決復雜的水下地形濾波問題，可以在傳統(tǒng)趨勢面濾波法基礎上，引入基于K-D樹索引的空間自適應趨勢面濾波算法。該方法首先對測深數(shù)據(jù)進行了分塊處理，細化原始測深數(shù)據(jù)，單獨對每個趨勢面進行濾波，有效地解決了復雜地形多變的問題，同時提高了異常數(shù)據(jù)檢測的能力，濾波數(shù)據(jù)更準確。

算法首先建立三維點云的K-D樹索引，然后確定目標點的鄰域信息，在利用鄰域信息進行趨勢面擬合的同時，對鄰域內測深點的真實測量值與該點的趨勢面擬合值之間的差值進行統(tǒng)計計算。當測深點的深度值與該點的趨勢面擬合值之差在標準范圍之外時，將該點定義為粗差予以剔除。完成上述步驟之后，轉到下一個目標點再次進行趨勢面檢測，直到點云集中所有數(shù)據(jù)均通過趨勢面檢測[3]。

3.水下地形測量實施

結合具體工程項目對空間自適應趨勢面法進行了實驗，利用多波束測深系統(tǒng)進行水下地形探測時，為保障數(shù)據(jù)質量，首先應進行事前質量控制，具體質量要求包括[4]：導航定位誤差距離范圍需控制在兩個波束間；測深系統(tǒng)各項誤差源提出具體控制范圍；測線布設及覆蓋率需指定具體指標；考慮天氣情況及實時海況。具體工作路線（如圖3所示）：

圖3 多波束水下地形測量技術路線

3.1 測線布設

主測線布設：主測線采用平行于等深線走向布設并盡量兼顧測區(qū)長軸方向，相鄰條幅的重疊率一般不低于15%。實測過程中，如果局部因水底起伏較大而設計測線達不到全覆蓋時，應現(xiàn)場加密測線。檢查線布設：垂直于主測線分布均勻，確保能普遍檢查主測線；長度不小于主測線長度的5%。

3.2 安裝校準

為保障多波束測深系統(tǒng)測量精度，獲取換能器初始安裝角度，消除系統(tǒng)安裝誤差，根據(jù)《海洋調查規(guī)范第10部分：海底地形地貌調查》（GB/T 12763.10—2007）規(guī)范要求，需要對設備進行校準?？紤]實際安裝過程中，換能器的各軸線位置存在一定的偏差，不能夠完全保持平行，需要對偏差角度進行測量，具體校準參數(shù)包括橫搖差（Roll）、縱搖差（Pitch）、艏搖差（Yaw）及船舶動吃水測定等，具體方法如下：

Roll、Pitch檢校：在測區(qū)附件選取地形較平坦區(qū)域，在同一條測線上，以相同的船速進行往返測量，在軟件中輸入同一位置垂直航跡的地形剖面，計算各剖面線位置橫搖、縱搖偏差值，取多組偏差值的平均值作為橫搖、縱搖校準值。

Yaw檢校：在檢驗測區(qū)范圍內選擇參考點，參考點應較為明顯，在參考點兩側以相同船速同向進行測量，通過參考點向兩側測線作一條垂線，為了實現(xiàn)重合需改變艏向角度偏移量，從而計算艏向殘差改正值。

利用軟件求得橫搖（Roll）改正值：0.17°；縱搖（Pitch）：1.26°；艏搖（Yaw）：3.15°。

3.3 聲速剖面測量

聲速剖面精度對多波束測深結果有著重要影響，在數(shù)據(jù)采集過程中，每次作業(yè)的前、中、后三個階段都需要在測區(qū)兩側與中間位置進行聲速剖面測量。具體要求有：單個聲速剖面儀所在位置的控制范圍應小于5km；測量時間間隔應小于6h；當測區(qū)范圍內水域深度較深時，表面聲速變化超過2m/s時應重新進行聲速剖面測量。聲速剖面測量的計算方法如下：投擲的位置選取需結合水深分色圖，在水深較大、聲速變化明顯的位置進行投擲聲剖儀；聲剖儀的投擲需結合實際，合理控制下放速度，避免聲剖儀進入淤泥；在進行聲剖儀數(shù)據(jù)處理時，需結合軟件進行聲線彎曲修正。

4.質量分析

4.1 多波束測深數(shù)據(jù)預處理

為驗證空間自適應濾波算法的合理性和精確性，可利用軟件對原始測量數(shù)據(jù)進行預處理，具體流程如下：

（1）檢查各項參數(shù)，包括各項校準參數(shù)、各傳感器參數(shù)；

（2）使用軟件創(chuàng)建項目-建立船型文件，根據(jù)相關格式標準，分別導入聲速數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)；

（3）將采集的原始數(shù)據(jù)導入軟件中；

（4）對數(shù)據(jù)進行潮位改正、聲速改正及合并；

（5）結合軟件編輯功能對水深數(shù)據(jù)進行處理，并對粗差進行剔除；

（6）多波束數(shù)據(jù)處理軟件具備半自動多波束濾波功能，其最佳分辨率可到達1m。利用軟件建立實測地域圖（Field Sheets），結合CUBE（Combined Uncertainty and Bathymetry Estimator）加權平均算法建立加權平均水深數(shù)據(jù)曲面（Base Surface），實現(xiàn)半自動濾波處理，導出相應文件格式后即可用于水深圖的繪制。

4.2 數(shù)據(jù)分析

通過軟件對原始測量數(shù)據(jù)進行預處理后，分別采用軟件自帶的CUBE加權平均算法、傳統(tǒng)自適應濾波方法和改進后的空間自適應濾波方法對同一組多波束測深數(shù)據(jù)進行濾波處理，針對其濾波處理后水深測量精度進行了分析，結果（如表1所示）：

表1 水深測量精度具體實驗結果

由表1可知：在水下地形測量中，應用本文設計的多波束測深系統(tǒng)方法，平均水深測量精度最高可達95.4%，整體水深測量精度最高，實現(xiàn)了水深測量精的提升。

5.結束語

多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量的應用取得了較好的效果，但也存在一系列問題。本文從多波束測深系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成出發(fā)，詳細介紹了多波束測深系統(tǒng)水下地形測量的技術流程，重點介紹了多波束設備安裝的技術要點、設備校準方法、測線布設要求以及聲剖測量方法。

針對多波束測深系統(tǒng)的誤差來源進行了詳細分析，在多波束測深系統(tǒng)在實際應用過程中，受水下復雜環(huán)境影響，易產生大量噪聲的問題，選擇了自適應趨勢面濾波法進行噪聲濾波處理，并對其算法原理和具體流程進行了詳細論述，結合實際工作，對其進行了精度驗證。