側掃聲納技術在水下界址線測量中的應用

徐國強，杜 軍，王勇智，李 平，于曉曉

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

側掃聲納技術在水下界址線測量中的應用

徐國強，杜 軍，王勇智，李 平，于曉曉

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

目前，沿海經濟的強勢發展導致用地矛盾不斷凸顯，各地不斷提出向海要地的要求。為防止擅自擴大圍填海范圍的現象，水下界址線的精確測量成為其基礎工作。側掃聲納技術作為海底地形地貌的重要探測手段，本身精度滿足水下界址線測量要求，同時可以提高探測效率。以廣西防城港核電建設中填海界址和面積動態監測項目為例，論證了側掃聲納系統在水下界址線測量中的可行性。同時指出，精確定位是進行圍填海界址調查的關鍵技術。

側掃聲納；水下界址；測繪

21世紀以來，我國各沿海地區經濟社會發展迅猛，工業化、城市化和人口聚集的趨勢進一步加快。隨之而來的是土地資源性短缺和土地結構性短缺的進一步加劇，沿海經濟的強勢發展導致用地矛盾不斷突顯，各地不斷提出向海要地的要求[1-3]。

填海造地是指筑堤圍割海域填成土地，并形成有效岸線的用海方式。圍海指通過筑堤或其他手段，以全部或部分閉合形式圍割海域進行海洋開發活動的用海方式。依據《海籍調查規范》（HY/T124-2009）中的用海范圍界定方法，填海造地用海“岸邊以填海造地前的海岸線為界，水中以圍堰、堤壩基床或回填物傾埋水下的外緣線為界”；圍海用海“岸邊以圍海前的海岸線為界，水中以圍堰、堤壩基床外側的水下邊緣線及口門連線為界”。

目前，擅自擴大圍填海范圍的現象屢屢出現，堤壩基床外緣線的精確測量是海洋執法部門面臨的主要難題之一。國家海洋局也不斷加大監管力度，嚴格控制填海、圍海和可能對海洋環境造成嚴重損害的開發利用活動。基于此，本文提出采用側掃聲納掃海技術來界定用海邊界，為執法部門用海管理提供技術支撐。

1 側掃聲納確定堤壩基床外緣線的原理

側掃聲納是主動聲納的一種，以二維平面圖像形態測繪水下微地貌特征的儀器[4]，主要由拖魚（換能器）、電纜和數據采集計算機組成[5]。換能器向海底方向發射高頻狹窄波束，聲波碰到水中或海底不同的物體反射回來，根據回波信號強弱的不同，就能夠得到灰度不同的海底地貌圖譜。

圍填的堤壩由于底質（主要為拋石）與正常海底底質不同，而且存在一定坡度，在側掃聲納圖譜上會呈現出強反射的特征，通過后處理及解譯可以得到坡腳的位置，從而滿足《海籍調查規范》中填海水下界址線為堤壩基床外緣線的要求。圖1描述了一個側掃聲納在未做校準模式時的結構示意圖，其中A線是觸發脈沖；B線是第一海面回波，代表聲納至海面的距離；C線是第一海底返回波，代表聲納至海底的距離；D是水柱，代表聲納至海底的水體部分；E是堤壩外緣反射線；F是陰影區，沒有回波信號；G是25 m的距離標注；H是信號振幅的顯示。圖2代表了工作環境的垂直交叉部分，真實的記錄就像一架從上面飛過的水平飛機上看到的海底，各字母代表的含義對應圖1的示意圖。（注：本文中資料取自EdgeTech側掃聲納）

圖1 側掃聲納在堤壩基床測量中工作原理示意圖

圖2 側掃聲納工作原理垂向示意圖

2 側掃聲納在水下界址線測量中的影響因素及解決方法

本文所涉及的水下地貌測量采用美國EdgeTech公司生產的4200-FS型側掃聲納，可100/400 kHz雙頻同時工作。當采用400 kHz高頻、100 m量程工作時，其垂向分辨率可達2 cm，縱向分辨率達0.6 m，量程為50 m或25 m時其精度更高。《海域使用面積測量規范》（HY 070-2003）中4.4節測量誤差規定“所測海域離岸20 km以內，測量誤差優于±1 m”，設備性能本身滿足測量要求。

實際測量中影響側掃聲納精度的因素有很多：風、海流對拖體姿態的影響[6]、水體聲速造成的誤差、拖繩的彈性誤差等[7]都會造成目標物位置精度的影響。針對以上影響因素，為控制界址測量精度，實際測量中作出如下修正：

（1）測線設計與測量方式。測線布設平行海流方向；選擇三級海況以下、平潮期作業；測量方式上采用同一測線往復式測量。

（2）聲速誤差修正。作業期間，測量前、測量中和測量結束后進行三次現場聲速剖面測量，通過聲速校正減小該項系統誤差。

（3）拖魚位置修正。拖曳式作業中，實時記錄拖纜長度與角度，采用系統LAYBACK進行修正；亦可采用超短基線定位，實時計算拖體的大地坐標[8]。

（4）影像變形修正。后處理過程中，采用系統自帶的速度校正、斜距校正等功能來進行影像變形方面的修正。

（5）RTK比對測量。低潮時，采用RTK沿重疊區進行重復測量，并依此為基準改正聲納測量參數設置。

3 聲納在水下界址線測量中的實際應用

海洋水工構筑物的水面以下部分用海面積較多且難以界定。為檢驗實際用海面積與申請用海面積之間的差異，防止填海項目的超限或違規使用，本文借助側掃聲納掃海獲得高精度海底聲學圖像，來識別與界定人工堤壩基床外緣線，精確界定水下界址。以廣西防城港核電建設中填海界址和面積動態監測項目為例（堤壩測量示意圖見圖3），該項目主要是隨著核電站取排水工程建設的進度，跟蹤監測工程水下界址外邊界，為海域管理提供基礎數據。

圖3 堤壩測量示意圖

截至2015年1月，廣西防城港核電項目排水口東、西導流堤施工建設長度為5 km（NW-SE向），南、北防波堤施工建設長度為1.8 km（NE-SW向），堤壩兩側進行堤壩護坡施工，護坡材料以拋石為主。本文所探討的海域界址即為拋石區與海底面交界線。水下需測量界址線長度約為27.2 km。

測線布設上，采用平行堤壩走向方向往復布設，低潮時界址出露區域布設RTK實地探測點，并作為后期側掃聲納探測參數改正的基準。

導航定位采用RTK定位系統，根據現場所獲側掃聲納調查資料，分析解譯海底存在的障礙物位置范圍，以及坡折線的位置走向，結合水深測量的成果，來識別人工堤壩基床外緣線。

由于拖魚水下姿態的不確定（ROLL，PITCH，HEADING）、測量船的速度偏差、拖魚高度導致的量程數據壓縮等因素側掃聲納影像會產生一定的變形。現場測量時根據文中第2節相關方法進行修正。后期解譯中亦可應用解譯軟件自帶的輔助工具進行變形校正。

本項目采用Triton后處理系統軟件，采用人機交互的方式進行屏幕數字化，并結合水深地形測量結果分析，圈定堤壩與海底之間轉折線位置。Triton Isis數據解譯中參數訂正以及相關處理流程詳述如下。

3.1 斜距校正

側掃聲納圖像上最早返回換能器的信號是近似垂直的，而來自遠距離的信號則接近水平，兩者之間的每一個數據點是橫向的，存在距離和畸變，因此需要進行斜距校正。首先對側掃聲納資料進行自動海底追蹤，采用Amplitude模式，調節Level和Holdoff參數，使海底追蹤線與實際海底吻合；部分海底起伏較大，自動追蹤效果不好，需要人工干預（P＆C模式）調節至合理海底。利用Triton Isis自帶的斜距校正功能進行修正，圖4為斜距校正前聲納圖像，圖5為斜距校正后聲納圖像。

圖4 Triton Isis解譯軟件斜距校正前聲納圖像

圖5 斜距校正后聲納圖像

3.2 導航平滑

一般而言，對于通過拖曳式得到的聲納數據，為了得到連貫一致的圖像需要進行導航數據的平滑。解譯中將航速低于1 kn及航速高于10 kn的明顯跳點處理掉，平滑處理算法可以誘導錯誤，因此為避免圖像失真,最好的選擇是設置平滑的點數量為1，平滑對比見圖6。

圖6 導航平滑前后對比圖

3.3 圖像鑲嵌

側掃聲納本身在精度與覆蓋范圍間存在著矛盾，為解決上述矛盾并同時提供大范圍的高精度圖像，電子鑲嵌（mosaic）應運而生，這需要使用一系列的相鄰測線，并將每個記錄與下一個相匹配以產生測量區域的高分辨率大尺寸圖像。本次探測識別目標物較為單一（水下堤壩外緣線），解譯時將堤壩同側往復兩個方向的數據進行鑲嵌對比。圖7為南西航向側掃聲納圖譜。

圖7 堤壩基床外緣線聲納圖

3.4 界址繪制

本次根據側掃聲納圖像確定堤壩基床外緣線的過程中，主要干擾項為堤壩護坡（圖8）。護坡在聲納圖像上與基床外緣一樣表現為強反射特征，但兩者存在差異。

圖8 低潮時可出露堤壩基床現場拍攝圖

堤壩基床外緣線是有大量單個拋石構成，在圖像上會呈現一定的零散性。堤壩護坡則具有一定的連續性，見圖9。

圖9 堤壩基床外緣識別示意圖

3.5 界址比對

本文作業采用RTK配合超短基線定位，定位精度達厘米級。水體聲速誤差，每次測量前、測量中和測量結束后進行三次現場聲速剖面測量，通過聲速校正較小該項系統誤差。堤壩周邊水深在5 m以淺，聲速誤差在±1 cm。速度校正、斜距校正采用Triton后處理系統軟件進行。通過以上方法減少測量誤差，最后根據側掃聲納圖像解譯結果，同時參考水深地形，對比人工RTK測量數據，繪制堤壩界址線，進而確定填海和構筑物的海域邊界和面積。

圖10為測區內部分低潮時可露出水面的部分測量結果對比圖，其中低潮時采用人工RTK測量堤壩基床外緣線（測點間距15 m），高潮時采用側掃聲納測量。

各個測點之間的位置誤差見表1。

圖10 低潮出露部分RTK測量與側掃聲納測量對比圖

表1 RTK測量與側掃聲納測量位置誤差對比

由表1對比可知，RTK測量與側掃聲納測量的位置誤差在±0.5 m以內。本文共進行RTK對比測量3.08 km，占界址線長度11.3%，比對點共計206個，位置誤差在±0.5 m以內的有183個，誤差在±0.5 m至±0.8 m之間的有23個，測量誤差均滿足《海域使用面積測量規范》（HY 070-2003）要求。

利用這種方法，可以在某些由于環境惡劣或限制導致人員無法到達的地方進行水下界址線的測量，同時可以連續測量，提高了工作效率。

4 結論

本文以廣西防城港核電建設中填海界址和面積動態監測項目為例，論證了側掃聲納系統在水下界址線測量中的可行性，并得出如下結論。

（1）通過科學合理的測線設計、定位校正和后處理校正以及實地驗證等手段，表明側掃聲納技術可以應用于海工構筑物水下界址測量并提供符合精度需求的界址測量數據。經與RTK實地測量比對，誤差在±0.8 m以內，滿足《海域使用面積測量規范》（HY 070-2003）要求。

（2）應用側掃聲納探測技術進行水下界址測量工作中，聲納傳感器（拖魚）的精確定位是關鍵。本次調查主要采用了RTK實地驗證，后續工作中亦可采用超短基線水下定位方式以提高定位精度和作業效率。

[1]劉文勇,錢立兵,江林.填海項目竣工海域使用驗收現狀及管理對策研究[J].海洋開發與管理,2015,32(4):39-41.

[2]劉偉,劉百橋.我國圍填海現狀、問題及調控對策[J].廣州環境科學,2008(02):26-30.

[3]湯民強,劉文勇,魏巍.填海項目竣工海域使用驗收測量的技術方法[J].海洋技術,2009,28(2):80-83.

[4]胡毅,陳堅,蔡鋒,等.Klein3000型側掃聲納在海洋工程調查中的應用[J].海岸工程,2006(01):84-92.

[5]王志光,孫新軒,劉強,等.側掃聲納系統在海底障礙物掃測中的應用[J].海洋測繪,2012(06):48-50.

[6]王化仁,李春風,林康力.海流對聲納目標定位精度影響分析[J].水道港口,2007(04):297-299.

[7]王久,周健.側掃聲納和多波束系統在失事沉船掃測中的綜合應用[J].中國水運(下半月刊),2010(08):35-37.

[8]高俊國,李增林,杜軍.側掃聲納系統成圖中的位移、變形和噪聲問題[J].海岸工程,2003(02):44-50.

The Application of Side-Scan Sonar for Detecting Submarine Parcel Boundaries

XU Guo-qiang,DU Jun,WANG Yong-zhi,LI Ping,YU Xiao-xiao
First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,Shandong Province,China

As the economy grows rapidly along the coast,increasing areas of seabed are demanded,and thus there is bound to give rise to conflict related to land requirement.In order to restrict the range of reclamation from being expanded without any authorities,detecting underwater parcel boundaries is needed to be conducted precisely and will serve as a foundation.As an important means for submarine topography measurement,the side-scan sonar not only meets the accuracy requirements,but also can enhance the efficiency of detection. Taking the Fangcheng Harbor of Guangxi Autonomous Region as example,the seafloor is mapped and the reclamation area is monitored in a dynamic way,while infrastructure is constructed for nuclear power generation. In this project,the side-scan system is proved to be practicable to detect the submarine parcel boundaries.In addition,it is pointed out that accurate location is a key technology for surveying the parcel boundaries of sea reclamation.

side-scan sonar;submarine parcel boundaries;surveying and mapping

P753;TB56

A

1003-2029（2017）03-0018-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.004

2016-09-22

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金資助項目（2015G14）

徐國強（1987-），男，助理工程師，主要從事海洋工程地質與聲學探測應用方面研究。E-mail：xuguo@fio.org.cn