水下目標探測技術在湛江港應急掃測中的綜合應用

◎ 曹敬濤 廣州海事測繪中心

水下目標探測技術在湛江港應急掃測中的綜合應用

◎ 曹敬濤 廣州海事測繪中心

通過強臺風“彩虹”登陸湛江港后開展的應急掃測工作，介紹了掃測工程中多種設備、技術的綜合應用分析，保障了轄區通航水域航行安全，成為解決水上公共安全危機的一項重要服務，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

湛江港 彩虹 側掃聲納 多波束 航行安全 CUBE 融合分析 二三維

1.概述

2015年10月4號下午14時，強臺風“彩虹”正面襲擊湛江，是1949年以來十月份登陸廣東最強的臺風，給當地造成嚴重損失。湛江港數十艘船舶損壞、沉沒或擱淺，并有大量集裝箱和碼頭吊機等重型裝備掉落入海，大西南和華南地區貨物出海主通道的湛江港航道、港池回淤情況不明，湛江港碼頭生產全面停止，航道全方位封鎖，嚴重影響湛江市的救災復產工作，亟待摸清水下狀況，保障船舶通航安全。

2.平面及高程基準

（1）平面控制：坐標系采用2000國家大地坐標系，高斯3°帶投影，中央子午線為111°。

（2）高程基準：高程基準面采用1985國家高程基準，深度基準采用當地理論最低潮面。

3.側掃聲納掃測

使用側掃聲納對湛江港進行全覆蓋掃測，保證聲納聲波在兩條測線之間區域100%重疊，不遺漏目標。探測時聲納高低頻同時發射，獲取最佳圖像效果。發現可疑物體時變換測線方向，使聲納從不同方向探測目標，獲取目標物體不同方向的影像。

EdgeTech 4200 MP側掃聲納數據采集和圖像判讀采用DISCOVER軟件進行，Klein Hydroscan數據采集和圖像判讀使用SonarPro軟件進行。數據后處理和圖像鑲嵌采用Hypack 2014軟件完成，通過人機交互判讀，量取目標大小和陰影高，與實物進行反復比較，確認疑似物體。

4.多波束測深系統掃測

多波束測深系統掃測同時進行Snippets數據采集，針對特殊障礙物測量還進行了水柱數據（Water Column Image）和反散射數據（側掃/ snippets）采集。

多波束內業數據處理主要采用Caris公司的HIPS and SIPS 8.1軟件進行，在線模式下主要是對數據采集軟件采集來的各傳感器數據（XTF格式）進行處理，采用CUBE算法，對多波束海量數據進行初步處理，對水深數據設定各項合理的過濾參數刪除大部分的假信號，極大的減少了多波束內業處理工作量，提高了工作效率。

5.探測技術的綜合應用

（1）精良的測量裝備。項目實施同時使用五艘測量船舶進行作業，主要采用了Edgetech 4200FS、Klein Hydroscan側掃聲納系統、Reson7101、R2sonic2024多波束測深系統等掃海設備；多波束數據采集使用Qinsy采集軟件；數據處理及制圖軟件采用Caris Hips和CASS8.0等；三維可視化展示分析使用Caris和Fledermaus等軟件。

（2）嚴謹科學的測量方法。本次應急掃測采用的多手段綜合探測方法也代表了目前國內先進的水下地形、地貌及礙航物探測水平。

首先初步摸清測區內水下地貌概況，對可疑礙航物進行標示，然后使用多波束測深系統對測區進行精細掃測，對可疑礙航物進行加密掃測；對集裝箱落水區域使用高頻側掃聲納進行掃海測量，獲取清晰的高頻聲圖。針對特殊障礙物，還同時進行了水柱數據(water column image)和反散射數據(側掃/snippets)采集，進一步確定了探測目標性質和最淺通航水深。

（3）技術手段的綜合運用。①多波束CUBE算法提升處理效率。多波束數據后處理時采用的CUBE算法是一種快速格網化的方法，通過在Caris HIPS中創建CUBE曲面，根據水深點離曲面格網節點的距離和TPE（總傳播誤差）不確定值計算出水深點的權重和貢獻，最后通過加權平均，求出節點的水深估計，同時也計算出相應水深估計的水深點個數、強度和不確定性，從而通過建立這種快速濾波獲取水深數據，可以顯著提高多波束數據的處理效率。

②多波束數據和側掃聲納圖像的融合分析。為了提高對水下沉船和集裝箱等礙航物的快速判讀能力，本次應急掃測綜合使用了單波束、多波束和側掃聲納等多種探測手段，并將所有獲取到得數據放入Hypack中進行配準、融合，水深數據和側掃聲圖數據相互印證，從而快速判明水下可疑目標信息，建立了一種快速分析水下礙航物的工藝模式。

③二三維一體化呈現掃海成果。使用Caris來處理各種水下地形數據，并將通過Triton預處理完成的側掃聲納圖像和水深數據一并導入到Fledermaus中，建立水下三維可視化場景，從而更加清晰的呈現沉船和集裝箱的水下形態，并形成人機交互便于查詢水下礙航物的各種參數信息。

6.項目特點

（1）項目急。強臺風“彩虹”給當地造成嚴重損失，湛江港數十艘船舶損壞、沉沒或擱淺，并有大量集裝箱和碼頭吊機等重型裝備掉落入海，湛江港碼頭生產全面停止，航道全方位封鎖，嚴重影響湛江市的救災復產工作和居民的生產生活。急需查明水下障礙物的分布情況，迅速恢復航路通航和碼頭生產，面對沿岸港口的復產壓力和搶險救災的社會壓力，形勢萬分緊急。

（2）任務重。大西南和華南地區貨物出海主通道的湛江港航道全部停航，從內航道到龍騰航道的70km航路全面陷入癱瘓，受災面積巨大，社會關注度極高，掃測任務需要覆蓋湛江港所有的港池、航道、錨地等40處重要通航水域。

（3）測區險。湛江港航道、港池和錨地等重要的通航水域存有大量的沉船、集裝箱、魚排網箱、沉物等礙航物，水下地形、地貌和礙航物情況不明，一時間難以調查統計，基本全部處于未知狀態，復雜的測區環境給測量組織實施帶來難以想象的困難，且風險系數極高。

（4）施測難。強臺風登陸后，造成水電供應的癱瘓，湛江港封航和碼頭生產停止，面臨巨大的社會壓力和通航壓力，需要盡快恢復航道通航和碼頭生產，災后航道及港池等通航水域掃海測量的技術要求和精度要求極高，特別是在極度壓縮的測量工期、超級繁重的任務強度和復雜多變的測區環境條件下，更是提升了施測難度等級，對現場組織協調工作的巨大挑戰。

（5）設備精。使用的主要設備有多波束測深系統、側掃聲納系統、DGPS、星站差分GPS、單波束測深儀和涌浪濾波器等，使用先進的測繪設備，采用多種技術手段，綜合應用，制作成果產品豐富。測量方法及成果代表了國內外先進的水下地形探測水平。

（6）效率高。以“統一指揮、分工協作、高效精干”為原則，建立了完善的現場指揮管理體系和安全生產保障措施，確定科學合理的掃測方案，通過資源調配、分工協作、科學組織、合理實施、精細測量，在36個小時內完成湛江港主要通航水域的全覆蓋掃測，初步查明主航道內的水下礙航物狀況，主航道具備-18米的通航能力，湛江港恢復通航。使用3天時間將精確的通航尺度數據提交災后決策，相關水域相繼恢復使用，湛江港生產基本恢復。

（7）成果多樣。為滿足災后港區內沿岸各單位、公司的不同需求，在不同階段和不同水域制作了水深數據成果圖、航道港池三維立體圖、礙航物分布圖、水下物體3D圖、航道港池回淤分布圖、回淤量分析圖和側掃聲納掃海獲得的海底表面圖等。

7.結束語

本次應急掃測水域達203平方公里，搜尋到落水集裝箱59處、沉船3個，制作水深圖52幅。在時間緊、任務重、要求高的緊急情況下，投入大量人力、物理和設備，迅速探明湛江港水下地形地貌第一手資料，項目成果數據齊全、現勢性強、質量優良，為海事測繪應急掃測工作的組織實施積累了豐富的工作經驗。保障了轄區通航水域航行安全，成為解決水上公共安全危機的一項重要服務，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

項目提供的實時航行保障數據，為管理部門應急指揮快速決策和災后航運恢復提供了支持，同時為災后應急預案制定、現場管理和海事安全監管提供了有力的技術和數據支持，項目成果作為主要的決策依據為快速恢復湛江港通航奠定了堅實的基礎，避免了持續封航對港口經濟帶來的進一步影響，保證了湛江正常的社會秩序及社會發展。

目前，側掃聲納和多波束測深系統等掃海測量手段普遍應用于海上應急掃測工作中，并取得顯著的成效，今后，需要不斷提升項目的組織管理能力，密切跟蹤國內外水下探測技術，制定科學有效的實施方案，發揮多種掃測設備和技術手段的綜合效能，提升航海保障工作水平。