多波束測量測線布設優化方法研究

成 芳，胡迺成

（中國人民解放軍91439部隊，遼寧　大連　116041）

多波束測量測線布設優化方法研究

成 芳，胡迺成

（中國人民解放軍91439部隊，遼寧大連116041）

隨著多波束測深技術的廣泛應用以及人們對高精度海底地形測量的迫切需求，海洋測深已由離散、低精度、低效率向全覆蓋、高精度、高效率的方向發展，傳統的技術設計已不能滿足對海底精細描述的要求。而測線布設作為海區技術設計的一個重要環節，其設計方法仍相對滯后。基于這一現狀，在深入分析測線布設對測量成果的影響機制基礎上，提出了一種全新的多波束測線布設優化方法，并詳細給出流程圖。整體研究結果表明：該優化方法是合理可行的，體現了逐步優化設計的思想，更符合實際測量需求。

多波束測量；全覆蓋測量；技術設計；地形分辨率；測線間距

《國際海道測量標準》中明確規定，基于多波束的特等和1 a等測量，首先必須保證全覆蓋測量［1-3］。在此基礎上，采樣點密度越大，海底地形分辨率越高，對海底地形的描繪越精細，越能完善地顯示海底地形。因此，海底地形描繪的精細程度取決于采樣點個數，而采樣點個數主要通過測線間距的調整來控制，測線間距選擇過窄，雖然保證了海底地形分辨率的要求，但會增加工作量、降低測量效率；測線間距選擇過寬，又極大地降低了海底地形分辨率，無法保證測量成果質量。因此，測線布設作為多波束測量海區技術設計的核心內容，在兼顧整個測區的測量成果質量和測量效率等方面起著極其重要甚至決定性作用。為此，本文在深入分析測線布設方式對測量成果質量影響的基礎上，提出一種全新的多波束測線布設優化方法，此方法體現了逐步優化的思想，最終確保在該測線布設方式下，不僅保證全覆蓋測量，還可得到滿足預定地形分辨率要求的水深數據，并且保持較高的測量效率。

1　測線布設對多波束測量的影響

測線布設包括測線方向和測線間距選擇兩個方面的問題［4］。對于測線方向，通常為使掃測寬度盡可能保持不變，測線方向盡量與等深線方向保持一致。而本文重點探討測線布設間距對多波束測量的影響。

1.1測線布設對全覆蓋測量的影響分析

1.1.1波束腳印覆蓋區域模型的建立波束腳印是發射波束與接收波束在海底的交叉重疊區域［5］。這里從技術設計的概略表示出發，認為單個波束腳印的形狀為矩形即能較好地反映實際情況。

圖1　平坦海底探測腳印示意圖

圖2　波束腳印縱橫向寬度的求解

如圖1～圖2，假設測船在平穩狀態施測（忽略各種效應對測深的影響），P為多波束換能器，令波束沿測船正橫方向的波束寬度為θy，沿測線方向的波束寬度為θx，第i個波束的入射角為θi，Li為第i個波束對應的斜距，Hi為第i個波束測量得到的水深值，n是波束總數。Ai，Bi，Ci，Di分別為第i個波束腳印的4個頂點。

當波束數n為奇數時，多波束換能器左右發射的波束數相等且按左右波束沿中央波束對稱。此時，坐標原點為中央波束的中心點。對于第i個波束腳印4個頂點，坐標表達式如式（1）所示：

當波束數n為偶數時，多波束換能器左右發射的波束數相等且按換能器垂線方向對稱。此時，yKi

式（1）中，y坐標取值，右舷波束取正，左舷波束取負。并且，左舷取負、右舷取正。

波束腳印的邊長分別為：

第i個波束腳印的面積為：

1.1.2測線布設對全覆蓋測量的影響分析為直觀說明測線布設間距對全覆蓋測量的影響，以Seabat 8101多波束測深儀為例［6］，利用上節建立的波束腳印覆蓋區域模型仿真不同測線間距的波束覆蓋情況，為便于顯示，圖中截取相鄰兩測線間的波束覆蓋區域進行顯示。

實驗中，測船在平穩狀態下施測（不考慮其它測深效應的影響），船速6 kn，設計水深10 m，波束采樣率設為10 Hz。SeaBat 8101多波束測深儀的波束寬度為1.5°×1.5°，扇面開角150°，101個波束。

圖3　不同測線間距時的波束腳印覆蓋區域圖

從圖3中看出：以換能器扇區寬度為測線間距，實現了條帶與條帶間的全覆蓋（如圖3（a））。若增大測線間距，兩條帶間出現空白區（如圖3（b））；若減小測線間距，將造成測船正橫方向條帶與條帶間有重疊部分（如圖3（c））。實際測量時，不同測量要求對重疊度的要求也不相同［7-8］，應根據不同要求適度增加或減小測線間距。若重疊度過大，勢必影響測量效率；如果測線間距過大，將產生測量遺漏，無法實現橫向的全覆蓋測量，更無法保證系統探測能力，從而必將影響海底地形的測量結果。因此，只有選擇適當的測線間距，才能在兼顧橫向全覆蓋探測的同時，有效提高測量效率。

1.2測線布設對海底地形分辨率的影響分析

為了進一步研究測線布設優化方法，本文進行了仿真計算。首先采用Matlab語言構建復雜變化海底（如圖4），利用Seabat 8101多波束測深儀（不考慮等距發射）沿測線方向對海底進行仿真采樣（忽略各種測深效應對測深的影響），詳細分析測線布設對測量結果的影響。

采用的具體分析方法是：直接將先驗海圖進行格網化（本文內插得到2 m×2 m格網點），模擬水深測量沿Y軸仿真采樣，統計分析半ping波束覆蓋區域內平行于測線方向的每一列格網所獲得的采樣點均值，并繪制相應的關系圖（如圖5）。調整測線布設間距，通過考察半ping波束覆蓋區域內不同列格網內橫向采樣點均值的變化情況，來分析測線布設間距對格網橫向采樣點密度的影響。實驗中，設計船速8 kn，設計水深30 m。

圖4　復雜變化海底示意圖

圖5　沿Y軸測量各列網格采樣點均值

圖6　不同測線間距各列網格采樣點均值變化趨勢圖

表1　沿Y軸施測，半ping波束覆蓋區域內不同測線間距的采樣點個數一覽表

從圖5中可直觀看出，第1列格網（距中央聲線0～2 m范圍內）的采樣點均值最大。從第2列格網（距中央聲線2～4 m）開始，采樣點均值逐漸變小，到第18列格網（距中央聲線34～36 m）的采樣點均值為1，從第19列開始平均獲得不到1個采樣點。這說明若不考慮多波束換能器等距發射，越遠離中央波束，獲得的采樣點越少，對海底表面的描繪越不精細。

為方便比較，考察不同測線間距時第2列至第25列采樣點均值的變化情況（見表1）。對比表1和圖6可以得出，同一列格網，越靠近中央波束，采樣點個數的變化越緩慢，這是由于單ping內各波束點的距離由多波束系統自身指標及水深決定，與測線布設間距無關。而越靠近邊緣波束的格網，采樣點個數隨測線間距的變化變得明顯，換句話說，越靠近邊緣波束的格網，隨著測線間距的減小，其內的采樣點個數逐漸增大。以第25列（距中央聲線48～50 m）為例，當測線間距由150 m減少至50 m時，平均采樣點個數由0個增至4個。

綜合上述仿真實驗得出，單ping內，不同波束施測得到的采樣點個數存在較大差異，越靠近中央波束，獲得的采樣點越多，地形描繪得越精細；對于邊緣波束，其內的采樣點個數受測線布設間距的影響較大，其隨著測線增大而逐漸較少。這也充分表明了測線間距是影響海底地形橫向分辨率的重要因素。

2　多波束測量測線布設優化方法

通過上一節的分析結果和認識，進一步對如何進行測線的合理布設進行研究。首先給出測線布設的基本原理和方法，最后總結歸納給出多波束測量測線布設的步驟。

2.1多波束測量測線布設的基本原理

多波束測線布設的基本原則是將先驗海底地形格網化，通過控制每個格網的分辨率，來使得格網分辨率與測線間距相匹配，最終滿足海底地形分辨率的要求。

由于海底地形分辨率，根本上取決于海底地形的區域變化特征，因此，本文提出如下測線布設的基本原理：根據測區的實際水深分布和多波束系統自身覆蓋倍數情況合理選擇多波束測深系統后，通過設計調整測線布設間距，在保證全覆蓋測量的基礎上，控制采樣點密度，最終保證測量成果滿足預定的海底地形分辨率要求。

具體實施時，還應考慮到施測的方便性和測量效率等因素的影響，來綜合確定最佳的測線布設方案。

2.2多波束測量測線布設方法

具體地說，可按圖7的流程圖來確定滿足預定海底地形分辨率要求的測線間距。

特別需要指出的是，本文提出這種全新的測線布設的方法，是想體現出“實踐－認識－再實踐－再認識”的哲學思想，也體現了理論來源于實踐，并用于指導進一步的實踐。即應充分了解先驗的海水深信息，然后提出較為合理的初測方案，再根據初測得到的最新水深信息，進一步對測線布設方法進行優化，最終確保在該測線布設方式下，得到滿足地形分辨率要求的水深數據，并且保持最高的測量效率。

本文提出的測線布設方法還體現了逐步優化的設計思想，當然也增加了測線布設技術設計的復雜性和難度。不過現代計算機技術為此提供了良好的解決環境。事實上，本文在研究過程中已編制了專用的多波束測量測線布設的技術設計軟件，該軟件可提供作業單位使用，同時該軟件系統也直接提高了水深測量的信息化、自動化程度。

圖7　基于海底地形分辨率的多波束測深測線間距優化選取方法流程圖

3　結語

針對如何合理確定測線布設方式使其可同時兼顧測量效率與測量質量這一問題，本文提出了全新的多波束測線布設優化方法。研究過程采用了系統的、優化的理念，可有效平衡測線間距和采樣點的關系，在充分考慮海底地形分辨率要求的基礎上，對測線布設間距進行逐步優化。整體研究結果：該方法是合理可行的，為高質高效地完成水深測量任務提供了有力的技術支持。

［1］國家質量技術監督局.GB12327-1998.海道測量規范［S］.北京:中國標準出版社，1999.

［2］IHO.IHOStandards for Hydrographic Surveys，S-44，5th Edition［S］.Monaco:International Hydrographic Bureau，2008.

［3］劉雁春.海洋測深空間結構及其數據處理［M］.北京:測繪出版社，2002.

［4］夏偉，劉雁春，邊剛，等.基于海底地貌表示法確定主測深線間隔和測圖比例尺［J］.測繪通報，2004（3）:24-27.

［5］李家彪，王小波，華祖根，等.多波束勘查原理技術與方法［M］.北京:海洋出版社，1999.

［6］SeaBat8101 MultibeamEchosounder SystemOPERATOR'SMANUALVersion 2.02［EB/OL］.http://www.reson.com，Reson，2003.

［7］劉雁春，肖付民，暴景陽.面向21世紀的海洋測深（改正）新技術［J］.地球科學進展，1996（3）:17-22.

［8］Barbara A Bond.Strategic Considerations for International Hydrography in the 21st Century［J］.International Hydrographic Review，1996，LXXIII（2）:5-7.

Research on the Optimization Method for Survey Line Layout in Multi Beam Survey

CHENG Fang，HU Nai-cheng
Troop 91439，The People's Liberation Army of China，Dalian 116041，Liaoning Province，China

With wide application of multibeam echosounder systems and urgent need for high-precision bathymetric survey，traditional technical design is no longer able to meet the demand of accurate seafloor topographic survey.The development trends of marine bathymetry are featured by full coverage，high accuracy and high efficiency.As an important link in technical design，the survey line layout technique has not been fully developed in China.On the basis of analyzing the effect mechanism of survey line layout on surveying results，a newly optimized method of multibeam survey line layout is presented，with a detailed flow diagram given in this paper.The results from the overall research indicate the feasibility of this optimizing method，which embodies the gradual design idea，well suited to practical surveying requirements.

multibeam survey；full-coverage survey；technical design；bathymetric resolution；survey line interval

P229.1

A

1003-2029（2016）02-0087-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.016

2015-04-04

國家自然科學基金資助項目（41374108，41476087）

成芳（1981-），女，博士，工程師，主要從事海洋環境測量和系統總體研究。E-mail：chengfangtl@163.com