測深型側(cè)掃聲吶細物識別及淺水測量精度分析

摘要：淺水區(qū)域水下地形全覆蓋測量的效率提升是水下測量一大難題。EdgeTech 6205S測深型側(cè)掃聲吶系統(tǒng)（簡稱“6205S”）測深、雙頻側(cè)掃的集成度高，可以產(chǎn)生實時、高分辨率雙頻側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)和高質(zhì)量測深數(shù)據(jù)（超過200°的側(cè)掃寬度）。對比了6205S系統(tǒng)與常規(guī)多波束、單波束系統(tǒng)的測深精度及細物識別能力。結(jié)果表明：6205S系統(tǒng)細物識別準(zhǔn)確，與單波束、多波束系統(tǒng)水深結(jié)果一致;測深精度滿足國際海道測量組織（IHO）特等測深精度要求及《工程測量規(guī)范》中水深測量要求;測量效率可達到常規(guī)多波束的2～3倍。

關(guān)鍵詞： 測深型側(cè)掃聲吶; 水下地形; 細物識別; 精度分析

中圖法分類號：P229.1 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.001

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0001 - 03

0 引 言

近年來，隨著對水下探測需求的不斷增長，高分辨率測深側(cè)掃聲吶的研究越來越受到重視[1]。淺水區(qū)域水下地形全覆蓋測量的效率提升是水下測繪領(lǐng)域一大難題，而激光測深受限于水質(zhì)等環(huán)境要素的制約。利用多波束進行全覆蓋水深測量和利用側(cè)掃聲吶進行海底水體目標(biāo)的探測技術(shù)開始出現(xiàn)。通過綜合利用多波束水深數(shù)據(jù)和側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)，可有效增強不同觀測數(shù)據(jù)的互補性，提高工程質(zhì)量[2]。

本文運用EdgeTech 6205S測深型側(cè)掃聲吶系統(tǒng)（簡稱“6205S”）測深、側(cè)掃的高集成性能，獲取了高精度三維水深及高分辨率側(cè)掃數(shù)據(jù)，并對細物識別能力進行驗證。

1 淺水區(qū)域水深比測及細部識別數(shù)據(jù)采集

1.1 6205S系統(tǒng)組成及技術(shù)參數(shù)

6205S系統(tǒng)集成EdgeTech全頻譜CHIRP技術(shù)，采用多相位回聲（MPES）技術(shù)，系統(tǒng)聲吶使用10個接收通道和一個單獨的發(fā)射通道。接收通道的增加，高效抑制了淺水中的多徑途傳輸影響發(fā)、反射和聲學(xué)噪聲，可實現(xiàn)更寬的覆蓋范圍。6205S系統(tǒng)主要包含：EdgeTech 6205S換能器、甲板單元、采集電腦、GNSS、OCTANS光纖羅經(jīng)、聲速剖面儀、控制軟件、采集軟件及后處理軟件;系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1～2。

1.2 同步數(shù)據(jù)采集

在長江荊江段選取一段水深小于15 m區(qū)域同步開展6205S系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集;區(qū)域內(nèi)涵蓋沙波、拋石、丁壩等豐富的地形地貌;并在大連某淺水港區(qū)同步開展6205S系統(tǒng)、單波束水深測量。6205S系統(tǒng)經(jīng)過安裝調(diào)試、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等一系列步驟，采用8倍（相當(dāng)于波束開角約152°）水深模式，最高可達12倍（相當(dāng)于波束開角約161°）水深，獲得三維水下地形數(shù)據(jù)和高分辨率的水下地貌圖像見圖1。多波束測深系統(tǒng)水下地形實時采集（波束開角115°）效果見圖2。

2 細物識別及精度對比分析

2.1 6205S系統(tǒng)細物識別成果質(zhì)量

長江荊江段覆蓋了沙波、拋石、丁壩等地形地貌;6205S系統(tǒng)側(cè)掃數(shù)據(jù)見圖3，在實時采集過程中就可以清晰辨別出水底地貌。應(yīng)用后處理軟件生成三維水下地形見圖4，三維點云局部放大見圖5。

通過三維點云及曲面紋理可以清晰分辨出水下區(qū)域中丁壩及沙坡形態(tài)、拋石區(qū)域范圍，且含有任意一點的三維信息。輸出結(jié)果滿足各種地形圖制作要求，亦可通過側(cè)掃數(shù)據(jù)，進行底質(zhì)分類。

2.2 6205S系統(tǒng)測深精度分析

將系統(tǒng)生成的三維地形與常規(guī)多波束生成三維地形模型進行疊加，并在含有丁壩、拋石、沙波的區(qū)域進行斷面提取，提取位置及斷面見圖6。

從圖6可以看出，6205S系統(tǒng)和常規(guī)多波束系統(tǒng)所得的三維水下地形高度吻合，細部表現(xiàn)也基本一致。

利用大連某淺水港區(qū)的同步6205S系統(tǒng)和單波束數(shù)據(jù)進行重合點高程較差分析，主要將單波束測點疊加到6205S系統(tǒng)生產(chǎn)的三維立體模型中，利用ArcGIS軟件進行提取分析，得到較差分布（圖7，表3）。

從高程較差分布圖和統(tǒng)計表可以看出，誤差分布與水深成正相關(guān)關(guān)系，且中誤差都在±0.15 m以內(nèi)，最大為±0.124 m。滿足GB 50026-2007《工程測量規(guī)范》的水深測量要求：1 mlt;水深≤10 m，中誤差±0.15m;10 mlt;水深≤20 m，中誤差±0.20 m;滿足《IHO海道測量規(guī)范》特等測深極限誤差（95%置信度）±0.25 m規(guī)范要求，粗差率最大為4.38%，小于5%?？梢钥闯?205S系統(tǒng)的測深精度可以滿足1∶2 000及更小比例尺水下地形測量精度要求。

3 結(jié) 論

通過6205S系統(tǒng)與常規(guī)多波束及單波束的比較分析，可以得出以下結(jié)論。

（1） 6205S系統(tǒng)是集側(cè)掃與測深的多源集成采集系統(tǒng)，保留了傳統(tǒng)側(cè)掃設(shè)備的優(yōu)勢，可以得到實時高分辨率的水底影像，進行細物識別及分類。

（2） 6205S系統(tǒng)水深測量精度滿足1∶2 000及更小比例尺水下地形測量要求，測深精度滿足《工程測量規(guī)范》及《IHO海道測量規(guī)范》。

（3） 6205S系統(tǒng)可達到8倍水深測量，最大可達到12倍水深，是常規(guī)多波束（一般開角120°，約3.5倍水深）的2.5到3.5倍左右，大大提高了水下測量效率。

參考文獻：

[1] 孫宇佳，劉曉東，張方生，等.淺水高分辨率測深側(cè)掃聲納系統(tǒng)及其海上應(yīng)用[J].海洋工程，2009（4）：96-102.

[2] 羅深榮.側(cè)掃聲納和多波束測深系統(tǒng)在海洋調(diào)查中的綜合應(yīng)用[J].海洋測繪，2003，23（1）：22-24.

（編輯：江 文）