海洋測繪中的測深技術分析

李滿富

（北海市海域使用動態(tài)監(jiān)管中心（北海市海洋信息中心、北海市海洋環(huán)境監(jiān)測預報中心），廣西 北海 536000）

隨著我國各個行業(yè)領域的發(fā)展和進步，人們對水上和水下的測量工作需求越來越高，不僅包含內(nèi)河和水庫，還包含海域的一些海洋測繪工作，都已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略層面的任務[1]。測深技術是海洋測繪中必不可少的應用技術，其主要應用于水下地形測量任務，目前應用較多的有多波束測深技術、激光測深技術和側(cè)掃聲吶技術等，其中不同的測深技術，其基本原理和應用特點有所不同。本文將結合當前海洋測繪應用的測深技術進展，分析不同測深技術的特點和精度改善策略，為海洋測繪工作的開展提供一定的選擇參照，從而有效提高海洋測繪工作的測量精度[2-4]。

1 海洋測繪及測深技術的發(fā)展策略

1.1 海洋測繪概念

海洋測繪是指以海洋水體或者海底為研究對象展開的測量、海洋圖紙編纂等一系列的工作，該工作涉及很多學科的專業(yè)知識，是一門綜合性較強的學科，也是測繪學科中的重要部分[5]。目前，海洋測繪的方法有路線測量和面積測量2種，其中路線測量也叫剖面測量，主要應用于海洋區(qū)域的地質(zhì)構造、地球物理場等方面特征的測量工作中；面積測量則是根據(jù)設計圖比例尺制定一定距離的測線網(wǎng)以達到測量目的。海洋測繪與陸地測繪不同，海洋底部上方覆蓋著一層水體，水體中富含各種生物和無機物，這使得海洋測繪具有陸地測繪所不具備的特點：第一，海洋測繪大多是在海面航行或者飛行過程中開展，水下測繪工作的實施難度較大；第二，海洋測繪的測量內(nèi)容包含有礁石、海底地貌及沉船等，雖然比陸地測繪的地貌簡單得多，但其難度比陸地測繪更大。

在地球上，海洋占其面積的70%，陸地僅占30%，因此海洋測繪一直是測繪學的重點研究內(nèi)容。如果沒有海洋測繪，則測繪學科體系的內(nèi)容是缺失的，而且海洋測繪中毗鄰的陸地和海洋均面積占比相當[6]。在海洋資料庫中，海洋測繪能夠幫助完善海底概況的描述，有利于幫助人們了解海洋的性質(zhì)、地貌和變化。在各個行業(yè)領域中，關于海洋的研究項目都需要在了解海洋地貌的情況下，進行海洋的施工開采，所以海洋測繪是加強對海洋認知的重要環(huán)節(jié)。除此之外，海洋測繪對國防建設也具有一定的促進作用。海洋測繪能夠幫助國家了解海洋和海況地貌，而現(xiàn)在我國對海洋建設越來越重視，這都需要海洋測繪的幫助，才能為海洋探索提供充分的參考資料。

1.2 測深技術未來發(fā)展策略

1.2.1 提高海洋測繪中的測量精度

在地面測量工作中，最早應用的是GPS定位系統(tǒng)，其測量準確性較高，但在海洋測繪應用中受海洋深度基準面不穩(wěn)定的影響，測量過程十分復雜，而且測量精度一直難以提高。為此，需要進一步優(yōu)化海洋測繪技術，以提高測量精度。例如在地面測量中應用的垂直基準測量，可以在水深測量中使用，以期能夠提高測量數(shù)值的測量精度。

1.2.2 優(yōu)化測深技術

近年來，海洋測繪在我國得到了快速的發(fā)展，但與陸地測繪相比，海洋測繪的起步比較晚，在技術應用方面存在著一定的不成熟?，F(xiàn)階段，我國海洋測繪中最常用的測深技術為多波束測量技術，其雖能夠有效提高測量結果的精準度，但其在具體應用中存在一定的缺陷，導致其適用范圍十分有限，需要不斷提高該技術在深海領域的測量精度，保證其實際應用效果。

1.2.3 加快網(wǎng)絡信息服務在海洋測繪中的建設

海洋測繪所得到的測量信息在海洋相關產(chǎn)業(yè)、科研等方面都具有很大的用處，所以要建立局域范圍內(nèi)的信息共享，這需要在海洋測繪中構建網(wǎng)絡信息服務，通過各級海事部門之間的信息交流，從而實現(xiàn)海洋測繪的社會化應用。在海事測繪公共服務信息站中，應用信息技術來構建信息服務系統(tǒng)，使海洋測繪信息的共享服務能夠進一步加強。

2 海洋測繪中的測深技術

2.1 多波束測深技術

2.1.1 原理

多波束測深系統(tǒng)是一種效率較高的測繪設備，由一種大型的組合設備完成，其除了多波束測深聲吶本身系統(tǒng)之外，還包含著船姿傳感器、定位、聲速剖面儀、羅經(jīng)、數(shù)據(jù)采集工作站及繪圖儀等設備。多波束測深系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)，一般由聲學子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和外圍輔助設備4部分組成。其中，以換能器為核心的聲學子系統(tǒng)主要負責波束的發(fā)射和接收；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)完成波束的形成，將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，記錄聲波往返換能器面和海底的時間；外圍設備主要包括定位傳感器、姿態(tài)傳感器和聲速剖面儀和電羅經(jīng)，其主要功能是實現(xiàn)測量船瞬時位置、姿態(tài)和航向的測定及海水中聲速傳播特性的測定；以工作站為核心的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，主要負責聲波信號、定位、船姿、聲速剖面和潮位等觀測位信息的綜合處理，最終完成測點波束腳印坐標和深度值的計算[7-9]。與傳統(tǒng)的單波束測深系統(tǒng)相比，多波束測深系統(tǒng)的原理本質(zhì)上并無區(qū)別，但多波束測深系統(tǒng)的換能器由多個換能器單元構成，工作過程中可以發(fā)射或接受多個波束，從而對海底進行條帶式測量。在多波束測深系統(tǒng)使用過程中，首先是利用安裝在船龍骨方向的長發(fā)射陣向海底發(fā)射超寬聲波束，聲波束一般垂直于船龍骨方向，然后利用船底安裝的接收陣，其與發(fā)射陣垂直，發(fā)射波束與接收陣經(jīng)適當處理后形成許多預成接收波束，在這樣一個完整的發(fā)射—接收波束的過程中，在船只正下方形成波束測點構成的測深剖面。這種振幅檢測法雖然具有一定的效果，但當多波束的指向角較大時，反射波的信號會在背景噪聲中顯得比較微弱，很難保證檢測結果，故多波束測深系統(tǒng)還有一種檢測方法——相位檢測法。相位檢測法是根據(jù)相干原理來檢測的，換能器的2個給定接收單元之間存在相位差，通過比較其相位差來檢測波束的到達角，從而得到檢測數(shù)據(jù)。

2.1.2 發(fā)展趨勢

根據(jù)當前多波束測深技術的應用現(xiàn)狀，其未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，在聲速及聲線跟蹤上，可以結合現(xiàn)在很多聲速經(jīng)驗模型，為波束腳印歸位計算精度提供一定的理論依據(jù)。但是在特定情況下，由于多波束測深系統(tǒng)應用范圍比較廣，而且海域影響因素較多，導致不同聲速經(jīng)驗模型的應用存在一定的差異。因此，未來多波束測深技術的發(fā)展要注意選擇一種合適的聲速經(jīng)驗模型。

其次，在多波束輔助參數(shù)的測定和濾波上，要對聲速改正技術、導航定位技術、換能器吃水改正技術及潮汐改正技術等進行研究，使多波束測深技術的數(shù)據(jù)處理能夠更好地滿足海洋測繪工作需求；而對于深度數(shù)據(jù)濾波，則需要加強對測深異常數(shù)據(jù)的研究，通過一定的數(shù)據(jù)編輯，剔除測量數(shù)據(jù)中受參數(shù)設置、海況及白噪聲等因素影響出現(xiàn)的假信號，以便于更好地保證測量成果的可靠性。

再次，在圖像處理上，要加強對多波束聲吶圖像處理方法的研究，由于多波束測深系統(tǒng)在圖像形成機理、環(huán)境噪聲等方面存在著一定的差異，所以要針對多波束測深系統(tǒng)的圖像形成機理選擇最優(yōu)的圖像處理方法。

最后，將多波束測深技術與其他測深技術融合，例如側(cè)掃聲吶技術，其能夠全覆蓋式的測量海底地形地貌，更加形象地反映出海底地質(zhì)組成。而多波束測深系統(tǒng)能夠獲得海信位置的高密度高深度信息及圖像信息，二者結合能夠?qū)５椎刭|(zhì)地形及位置信息進行更加精確的量化分析。

2.2 機載激光測深技術

2.2.1 原理

機載激光測深技術是集激光、定位等系統(tǒng)為一體的一種主動測深技術，應用于水下地貌的測量，原理是以航空平臺為載體，通過定向發(fā)射和接收聲波、采用傳感器計算回波的信號空間位置來獲得水深數(shù)據(jù)。激光測深的原理與雙頻回聲測深（雙頻單波束測深）原理相似，從飛機上向海面發(fā)射2種波段的激光，一種為紅光，波長為1 064 nm；另一種為綠光，波長為523 nm。紅光被海水反射，綠光則透射到海水里，到達海底后被反射回來。這樣，2束光被接收的時間差等于激光從海面到海底傳播時間的2倍，由此可算得海面到海底的深度。激光測深的公式為

式中：G為光速；n為海水折射率；△T為所接收紅外光與綠光的時間差。

該測深系統(tǒng)是由多波束測深技術發(fā)展而來的，能夠?qū)夭ㄐ盘栠M行處理，機載激光測深技術具有測量效率高、覆蓋面廣和響應速度快等優(yōu)勢，其缺點是限制條件多，激光束在海水中以指數(shù)衰減，最大穿透能力與激光發(fā)射能量、海水透明度、海底反射率和背景光噪聲密切相關，目前典型商用設備測深能力在一類水質(zhì)底反射條大于15%條件下可達50 m。此外，激光測深不能保證能夠有效探測1 m3的水下小目標。因此機載激光測深僅適用于水陸交界地區(qū)海水透明度較高的淺水水域。綜上所述，機載激光測深作為水陸交界地區(qū)的主動式、非接觸及水陸一體化測繪技術，可與傳統(tǒng)船載多波束測深、側(cè)掃聲吶測量等技術手段相互配合，更高效地完成海岸帶測繪任務[10]。

2.2.2 發(fā)展趨勢

由于機載激光測深技術能夠?qū)崿F(xiàn)船舶、淺海及暗礁無法達到的水深測量，使其在海洋測繪中具有很大的應用前景。目前，全球僅有6套正在運行的測深激光雷達，但其已經(jīng)繪制了大量的內(nèi)陸水域及沿海的地圖。因此，機載激光測深技術在海域礙航物體探測及海圖制作上具有很大的應用價值。在機載激光測深技術的具體應用中，可以采用高速數(shù)字化儀來采集水中的激光回波信號，根據(jù)采集的波形樣本來對海底、水表的時間位置做出相應的判斷，根據(jù)二者的時間差來得到水深數(shù)據(jù)。由此可見，水中斜距的計算也是根據(jù)海底到海面的時間差來得到的，實際算法能夠直接影響到水中斜距的測量誤差。一般情況下，如果飛行時間間隔為△t，則需要確定海底和海表中的峰值點，然后確定海表的時間，以保證測量精度。海表波形通常具有最小的上升時間，故其測量精度比較高，而對于海底回波脈沖寬度，其測量精度則需要根據(jù)激光脈沖在水中開展情況來決定。對于激光脈沖來說，接收視場角、海水參數(shù)及掃描天頂角都與展寬存在著很大的關聯(lián)。根據(jù)相關測量實踐發(fā)現(xiàn)，如果掃描天頂角在15°～20°，且散射深度低于6 m的情況下，傳播過程中會出現(xiàn)5 cm內(nèi)的深度偏差，而相關測量人員了解這些情況之后，可以對這些偏差進行相應的糾正。此外，如果海水折射率估計存在偏差，也會影響海洋測繪的測量精度。因此，要對海面波高的斜率譜分布進行詳細合理分析，例如，海面風速為10～12 m/s的時候，技術人員如果沒有進行相應的波浪校準，測量深度就會受海浪斜率的影響而發(fā)生誤差，通常深度誤差為水深的1%～2%。而如果技術人員糾正海浪影響之后，測量深度存在的誤差就會大大降低，甚至可以忽略不計，這能夠有效提高激光測深精度。

2.3 側(cè)掃聲吶技術

2.3.1 原理

側(cè)掃聲吶技術主要是利用回聲測深原理來探測水下物體及海底地貌的。側(cè)掃聲吶儀也被稱為海底地貌儀，工作頻率通常從幾十千赫茲到幾百千赫茲，在海洋測繪中，其有效范圍主要是在300～600 m。在近程的海洋測繪中，側(cè)掃聲吶技術的分辨率較高，而如果探測深海地質(zhì)的情況下，側(cè)掃聲吶儀器則需要達到幾千赫茲，使其探測距離達到20 km。在側(cè)掃聲吶技術中，一般在船殼或者拖拽體內(nèi)放置換能器，換能器在航行過程中發(fā)射扇形的聲脈沖，利用聲波變化及聲學結構，能夠了解海面、水體及海底的介質(zhì)性質(zhì)，從而獲取海洋測繪數(shù)據(jù)。目前，側(cè)掃聲吶儀主要是由水下聲波發(fā)射器、接收換能器、拖拽電纜、數(shù)據(jù)的顯示單元、記錄單元及傳輸單元等結構組成，在海洋測繪中具有以下3點優(yōu)勢：第一，側(cè)掃聲吶技術能夠根據(jù)海底回波強度信息，分析海底介質(zhì)的組成情況；第二，側(cè)掃聲吶技術的橫向分辨率較高，其能夠獲取清晰的二維海底地貌圖；第三，側(cè)掃聲吶設備安裝比較簡單，成本較低，使用便捷。與此同時，側(cè)掃聲吶技術也具有一定的不足之處，其無法獲取直觀形象的三維地形圖，而且海底深度測量的精度也有待提高。

2.3.2 發(fā)展趨勢

側(cè)掃聲吶技術存在的誤差主要來源于聲速誤差、幅相誤差、定位誤差及姿態(tài)內(nèi)誤差這些方面，其能夠直接影響到測深結果的準確度，因此在側(cè)掃聲吶技術未來的發(fā)展中，要注意對這些誤差源進行校準，以提高其測量精度。

首先，要將換能器存在的幅相誤差準確標出，并分析深度傳感器、定位系統(tǒng)及姿態(tài)傳感器對換能器陣的位置數(shù)據(jù)和安裝角度。

其次，根據(jù)示波器及相應的處理措施，客觀地判斷聲吶頻率的參數(shù)是否與原本預想的一致。

最后，對定位數(shù)據(jù)信息進行靜態(tài)采集，以獲得準確的定位精度。在以上基礎上，相關技術人員可以在試驗海域內(nèi)使用側(cè)掃聲吶技術，測量海面表面的聲速和聲速剖面，并得到多組校準參數(shù)所需要的測線數(shù)據(jù)，例如存在顯著坡度區(qū)域海面的2條重合反向測線，該測線能夠應用于俯仰（pitch）偏差的校準操作；或者獲取平坦區(qū)域平行于軌跡的S形測線，其能夠應用于橫搖（roll）偏差的校準操作；或者標志物區(qū)域、突出孤立區(qū)域的平行反向測線，能夠應用于航向效應誤差（heading effect error）的校準操作；還有平臺區(qū)域的十字測線，其能夠應用于幅相誤差的校準操作。

為了避免各種參數(shù)誤差之間互相產(chǎn)生作用，側(cè)掃聲吶技術應用中需要根據(jù)循環(huán)校準策略來校準偏差，保證各項參數(shù)的校準量保持在某一個合理的值之后，再根據(jù)校準量來修正其他相關參數(shù)項目，才能得到準確性高的測深結果。此外，側(cè)掃聲吶技術還可以在海洋測繪工作中與其他測深技術相結合，共同應用于海洋探測工作中，從而充分發(fā)揮出不同測深技術的優(yōu)勢。

3 結束語

綜上所述，目前海洋測繪中使用的水域地形測量方法大多是通過水上光學成像來完成的，常見的有多波束測深技術、機載激光測深技術等，其均能夠?qū)Ｑ笏w及水下地形形貌進行相應的測量，而這些測深技術會受波浪潮汐、大氣環(huán)境等水體條件變化的影響，導致測深結果的精確度降低。針對此情況，海洋測繪工作中要選擇合適的測深技術，或者融合多種測深技術，例如多波束測深技術與側(cè)掃聲吶技術融合使用，降低各種外在因素的干擾，以提高測深技術的應用效果和測量精度，從而優(yōu)化海洋測繪效果，使其能夠為海洋資源開發(fā)利用提供有價值的資料，進而推動國家主權和安全發(fā)展利益的維護。