極地海洋多波束測量測線布設系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

王風帆，馬永

（國家海洋信息中心，天津 300171）

海底地形是海洋科學研究、海洋工程和軍事應用等方面的重要基礎數(shù)據(jù)，開展海底地形測量是海洋測繪的重要內(nèi)容[1-2]。多波束測深是當下海底地形測量的主要手段之一，可以對海底實現(xiàn)全覆蓋測量[3]。目前，海上多波束測量的測線布設一般借助于ArcGIS、Global Mapper 等GIS 平臺[4-5]。由于這些平臺缺少針對性功能開發(fā)，導致操作效率不高，設計人員需要同時掌握兩個領域的專業(yè)知識與技術，提高了熟練進行測線布設與修改的學習成本。

另外，在南北極等特殊區(qū)域，因常年漂浮海冰等障礙物[6-8]，在此區(qū)域開展多波束測深存在一些特殊注意事項。例如在測量作業(yè)期間，因調(diào)查船躲避浮冰會導致測線出現(xiàn)大量彎曲；而船舶破冰產(chǎn)生的噪聲會造成波束腳印縮短，這些都會影響全覆蓋測量的實現(xiàn)。為了填補測量間隙，研究人員需要現(xiàn)場根據(jù)多波束數(shù)據(jù)預處理結(jié)果進行測線設計與修改。因此，開發(fā)專門的多波束測量測線布設系統(tǒng)，提高測線布設效率具有重要意義。

本文首先根據(jù)極地海域多波束水深測量作業(yè)需求，開展了系統(tǒng)總體設計、架構、功能設計與開發(fā)，然后闡述了功能實現(xiàn)的關鍵技術，最后選取區(qū)域進行應用試驗及討論。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體設計

多波束測量測線布設系統(tǒng)針對作業(yè)前實施方案編制和現(xiàn)場補測工作設計了兩種場景，主要功能包括測線、條幅的生成以及布設結(jié)果評價三個方面。測線生成主要分為根據(jù)預設參數(shù)自動生成和手動設計兩種方式，分別對應前面兩種場景；為了使生成條幅盡可能接近實際測量結(jié)果，提高預測準確性，引入海底地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)等相關資料作為參考；對測量結(jié)果的評價需要依據(jù)相關標準指標[9]，并綜合考慮實際場景以及功能實現(xiàn)的難易度。

根據(jù)極地海域多波束測量測線布設實際需求，系統(tǒng)技術路線（圖1）設計如下：

圖1 技術路線

（1）輸入測區(qū)邊界點地理坐標、多波束儀掃描開角、條幅重疊率指標等初始參數(shù)；確定測線方向，或者利用測區(qū)范圍內(nèi)國際公開地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)（先驗地形數(shù)據(jù)）計算獲得建議測線方向，后者主要用于主測線設計。

（2）針對主測線設計，根據(jù)步驟（1）參數(shù)，結(jié)合先驗地形數(shù)據(jù)，自動生成測線；針對檢查測線設計，通過輸入測線間隔自動生成測線；針對現(xiàn)場補漏測線設計，通過手動設計方式生成測線。

（3）結(jié)合先驗地形數(shù)據(jù)，沿測線生成多波束測量條幅多邊形。

（4）利用主測線、檢查測線和補漏測線的條幅多邊形以及測區(qū)坐標參數(shù)，統(tǒng)計總覆蓋率和主測線條幅重疊率等指標，并通過可視化技術展示。

1.2 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)使用Python 語言以及numpy、matplotlib、scipy、shapely、gdal等第三方函數(shù)庫，以PyCharm為開發(fā)平臺，采用分層模式進行架構[10]（圖2），包括數(shù)據(jù)層、應用層和表示層。

圖2 系統(tǒng)架構

（1）數(shù)據(jù)層：包括支撐系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎數(shù)據(jù)（先驗地形數(shù)據(jù)等）和系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，例如測線、條幅等。

（2）應用層：提供系統(tǒng)各項功能，實現(xiàn)各種操作，包括參數(shù)推薦、測線生成、條幅制作、結(jié)果評價等。

（3）表示層：為用戶提供交互界面，可輸入各項參數(shù)、顯示設計過程與結(jié)果、手動點擊生成測線，以及導入測線數(shù)據(jù)等。

1.3 主要功能

（1）建議測線方向計算

利用測區(qū)坐標參數(shù)，制作測區(qū)多邊形（可以是非矩形）。選用IBCAO 等國際公開地形網(wǎng)格[11-12]數(shù)據(jù)源作為先驗地形數(shù)據(jù)，利用測區(qū)多邊形進行裁剪，獲得測區(qū)內(nèi)地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)。生成等深線，計算等深線走向，以獲得的所有等深線走向平均數(shù)作為測線走向建議值。

（2）測線生成

測線自動生成包括自動測線間隔與固定測線間隔兩種方式。前者以滿足條幅重疊率指標為目標，通過腳印估計的方式保證測線間條幅重疊率大致達到指標要求，這里需要用到先驗地形數(shù)據(jù)、多波束開角等；后者則以滿足測線間距要求為目標，固定測線之間距離，生成均勻排布的測線。

手動設計方式則是通過人機互動方式，手動點擊測區(qū)內(nèi)位置生成測點，依次連接測點形成測線。

（3）條幅制作

輸入測線數(shù)據(jù)，包括自動生成測線和手動生成測線。利用先驗地形網(wǎng)格獲得沿測線水深，結(jié)合多波束開角等信息計算多波束腳印，利用腳印端點坐標生成條幅多邊形。

另外，為了進一步滿足現(xiàn)場設計需求，系統(tǒng)還需能夠?qū)氍F(xiàn)場多波束數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并形成覆蓋區(qū)域多邊形，用于現(xiàn)場補漏設計參考及結(jié)果評價。

（4）結(jié)果評價

統(tǒng)計并檢查測線總長度，計算設計測線形成的總覆蓋率和條幅重疊率[9]。利用測區(qū)參數(shù)和條幅多邊形，計算測量覆蓋面積與測區(qū)面積之比，作為總覆蓋率。條幅重疊率主要針對主測線，統(tǒng)計相鄰測線重疊區(qū)域?qū)挾扰c測線間距之比的平均值，即平均條幅重疊率γ：

式中：Li為采樣點處測線間條幅重疊的寬度，Di為采樣點處測線間距，n為采樣點數(shù)。

測線間條幅重疊率可通過可視化手段盡可能展示相關信息，低于預設指標的重疊區(qū)域可在圖中突出顯示。

（5）測線導出

完成設計后，將形成測線導出為shp 格式或者文本文件等多種形式，前者主要用于同其他制圖軟件配合，方便于方案圖件制作，后者是為了作業(yè)導航，用于與調(diào)查船導航系統(tǒng)配合。

2 關鍵技術

2.1 測線自動生成

系統(tǒng)測線自動生成功能有兩種方式：測線自動排布與固定間隔排布。二者主要區(qū)別在于測線間隔的確定方法，主測線排布需要滿足條幅重疊率指標的要求[9]，特別是在地形變化比較劇烈的區(qū)域，如果采用等間隔測線容易造成成本與標準之間的矛盾，間隔太大容易造成重疊率不達標，甚至出現(xiàn)呈帶狀的測量間隙，間隔太小會導致工作量太大，成本太高，手工設計比較耗時，因此需要進行測線間隔的自動判斷，以提供最為合適的測線布設方案。而檢查測線沒有條帶覆蓋率的要求，因此可以采用效率較高的固定間隔方式生成。

（1）測線自動排布

測線走向確定后，再確定測線通過的一點即可生成一條直線，然后利用測區(qū)多邊形對直線切割即可得到測線（圖3）。

圖3 測線自動排布原理圖

這里為了便于實現(xiàn)，首先將測區(qū)多邊形簡化為矩形，然后在一條通過矩形頂點并與測線垂直的線段上確定測線點，這條線段稱為參考線。

通過插值獲取參考線上的水深，然后利用式（2）計算各水深點的單側(cè)腳印寬度W。

式中：θ為多波束開角，H為水深。

最后在測線上依次確定滿足條幅重疊率[9]的最遠的點，作為測線點。

（2）固定間隔排布

與測線自動排布方法類似，區(qū)別在于參考線改為簡化矩形的對角線。在輸入固定的測線間隔后，以一定間隔在參考線上進行測線點的排布。

最后，根據(jù)測線走向和錨定的點生成直線，再利用測區(qū)邊界多邊形進行切割，獲得測線。

2.2 條幅制作

輸入測線，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為LineString 格式，利用先驗地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)，插值獲取測線上的水深信息，結(jié)合多波束儀開角，利用式（1）計算垂直測線方向的腳印長度，進而獲得腳印端點坐標，順時針依次連接測線兩側(cè)腳印端點，獲取條幅多邊形。

輸入的多波束預處理數(shù)據(jù)一般是geotiff 格式，利用gdal庫解析，獲取坐標、投影、水深等信息，進而獲取測量空白的位置，并生成覆蓋區(qū)域多邊形，用于補漏測線設計及結(jié)果評價。

2.3 信息統(tǒng)計

結(jié)果評價功能中，比較關鍵的是根據(jù)測區(qū)、條幅和多波束覆蓋等形成的多邊形對總覆蓋率和條幅重疊率進行計算。

根據(jù)《海洋多波束水深測量規(guī)程》（DZT 0292-2016），多波束測深需滿足全覆蓋測量及達到一定的條幅重疊率。融合條幅獲取總覆蓋多邊形，該多邊形面積與測區(qū)面積之比達到100%即為全覆蓋測量。在前期設計階段，計算總覆蓋率所用到的主要是主測線和檢查測線條幅多邊形的融合結(jié)果，現(xiàn)場設計階段用到的主要是現(xiàn)場處理結(jié)果所形成的多邊形與檢查測線條幅多邊形的融合結(jié)果。

條幅重疊率按照規(guī)程為重疊寬度與測線間距的百分比，應用于對主測線設計的評估。系統(tǒng)采用可視化手段，對測線間條幅重疊率進行展示，方便設計者直觀評價設計結(jié)果。受地形變化影響，條幅一般不是規(guī)則矩形，測線間的條幅重疊率是變化的，因此采用重疊率平均值以及標準差作為評價依據(jù)。

3 實現(xiàn)效果

（1）前期方案設計

選取某一海區(qū)進行試驗（圖4），測區(qū)形狀根據(jù)地形大致走向設計為平行四邊形，截取區(qū)域內(nèi)水深網(wǎng)格數(shù)據(jù)，計算得到建議主測線布設方向為218.7°。設置條幅重疊率指標為10%。

圖4 方案設計主測線與檢查測線

通過自動測線排布生成主測線（圖4 中藍色線），通過固定間隔排布（24 km）生成檢查測線（圖4 中黑色線）。利用條幅制作功能生成主測線條幅（圖4中黃色條帶）與檢查測線條幅（圖4中綠色條帶），其中，黃色條帶間加深部分為條幅重疊區(qū)域。最后利用測線評估得到總覆蓋率（98%）和測線間條幅重疊率（圖5）。

圖5 方案設計主測線間條幅重疊率

可以看出，總覆蓋率基本能夠滿足全覆蓋要求，但也存在一些小的空白區(qū)域。而在實際測量中，調(diào)查船改換測線時這些區(qū)域順便就被覆蓋掉，因此影響不大。相鄰測線間平均條幅重疊率存在大于20%的情況，這是由于部分測線上水深變化較大引起的，這一點可以從圖5 中的標準差看出，但考慮到實際測量中調(diào)查船航跡存在不可避免的彎曲，相較而言對結(jié)果的影響不會很顯著。

（2）補漏測線設計

利用歷史多波束測量處理數(shù)據(jù)，生成多波束覆蓋區(qū)域圖（圖6），現(xiàn)場作業(yè)時為了躲避海冰等障礙物，測量產(chǎn)生了許多空白區(qū)域。通過點擊方式設計4 條補漏測線（圖7 中藍色線），繼而生成條幅多邊形（圖7 中黃色條帶），可以直觀看到測線條幅已基本將空白區(qū)域覆蓋掉，最后利用評價功能計算總覆蓋率為99.7%，基本實現(xiàn)全覆蓋。

圖6 現(xiàn)場處理多波束數(shù)據(jù)（白色區(qū)域為漏測區(qū)域）

圖7 補漏測線設計

試驗證明，多波束測量測線布設系統(tǒng)可以方便、高效地設計出多波束測線，并對設計結(jié)果進行快速評價，可應用于前期與現(xiàn)場設計等場景。系統(tǒng)還將繼續(xù)在諸多地方進行改進，以期為設計者提供一個功能齊全、使用方便的多波束測量測線設計工具。

4 結(jié)語

本文針對極地海域多波束測量測線布設進行了系統(tǒng)設計，并對其中關鍵技術進行了詳細的分析探討，最后利用實際資料進行試驗與討論。研究結(jié)果表明：

（1）系統(tǒng)設計明確，架構簡捷有效，可方便用于系統(tǒng)功能開發(fā)，與用戶交互友好，設計人員上手難度小，適用于多波束測量測線布設。

（2）測線自動生成技術可快速、有效生成測線，制作條幅與可視化展示便于結(jié)果評價、信息統(tǒng)計對標相關規(guī)程，并針對現(xiàn)場補測場景開展了實用設計，方便高效。

（3）為進一步滿足多波束測量測線布設實際需求，系統(tǒng)會進行界面化設計，并進一步提升兼容性與擴展性，考慮繼續(xù)優(yōu)化測線生成與腳印預測功能，增加外部測線輸入等功能，不斷提高系統(tǒng)的可用性。