多波束測深系統和側掃聲吶在港口掃海測量中綜合應用

藺 巖，李 蕓，劉軍廷

（1.寧波冶金勘察設計研究股份有限公司，浙江 寧波 315041；2.寧波諾丁漢大學，浙江 寧波 315199）

馬跡山港位于浙江省嵊泗縣海域，呈東南、西北狹長走向，東南到浪崗山東南，西到馬跡山碼頭西，中心長約86 km。區域是亞熱帶海洋性季風氣候，風力、風向隨季節變化顯著，季節出現時間落后于大陸。冬季盛行西北風，平均風速5～7 m/s，其中1、2月最大達9級，寒潮南下時，會出現大風。夏季受太平洋高壓影響，6—8月盛行偏南風，平均風速4～6 m/s，春、秋季節則為兩季風的過渡時期。5月份開始受臺風影響，5—6月間，偶有臺風從正面襲擊的可能，7—9月為臺風盛期，登陸本區的臺風96%集中在這3個月中，10月中旬以后已無臺風登陸。受臺風正面襲擊時，伴有狂風暴風，最大風力可達12級以上，危害極大。潮流方向外海為回轉流，沿岸和航道內一般為往復流，流向平行于島岸和水道方向，流速一般為2～3 kn。該區域是亞熱帶海洋性季風氣候，風力、風向隨季節變化顯著，季節出現時間落后于大陸。

本文以馬跡山港掃海測量項目為依托，采用多波束測深系統和側掃聲吶進行掃海測量。其中，多波束測深系統可以獲得較為精確的平面位置和深度，但由于分辨率的局限，當開角變大時，對海底反映的詳細度相對較差[1-2]；側掃聲吶可以獲取目標區域高分辨率的二維平面影像，但位置信息及水深數據精度較低[3-5]。通過對港池、航道等地物的地形地貌數據進行研究，發現兩種掃海測量方式之間可以很好地互補。利用多波束聲吶和側掃聲吶圖像的匹配融合，可獲得具有高精度和高分辨率的海底地形與地貌疊加圖像，為航道疏浚提供數據服務，為確保船只的航行、靠泊等提供依據。

1 采用基準系統

坐標系統是描述物質存在的空間位置（坐標）的參照系，通過定義特定基準及其參數形式來實現。深度基準是計算水體深度的起算面，深度基準與國家高程基準之間通過驗潮站的水準聯測建立聯系。高程系統是指相對于不同性質的起算面（大地水準面、似大地水準面、橢球面等）所定義的高程體系。由于本次掃海測量的成果要符合國家海圖規定，因此根據《海道測量規范》選取測量基準系統如下。

（1）坐標系統：CGCS2000坐標系統，3°帶高斯投影，中央子午線123°。

（2）深度基準：當地理論最低潮面。

（3）高程系統：1985國家高程基準。

2 多波束掃海測量

多波束測深系統是一種高精度、高分辨率、高效率的一種水下地形測量技術[6]，該系統通過聲波發射與接收換能器陣進行聲波廣角度發射和定向接收，在與航向垂直的垂面內形成條幅式高密度水深數據，從而能夠繪制出沿航線一定寬度條帶內海底的三維地形、地貌，并根據水下結構周邊的海底地形變化情況。

多波束系統基本上由三部分組成。第一部分是多波束主系統，主要包括換能器陣列、收發機和處理單元等；第二部分為輔助系統，包括定位系統、運動傳感器（橫搖、縱搖、升沉）、羅經（船艄向）和聲速剖面儀；第三部分是后處理系統，包括數據采集系統和數據處理計算機、數據存儲設備和繪圖儀等[7]。

根據《海道測量規范》要求，多波束掃海測量前需進行潮位站的布設、潮面的確定、水位改正等工作，保證測量的準確性后方可進行掃海測量。

2.1 驗潮站布設

由于馬跡山港東西跨度較大，根據《海道測量規范》要求，潮位站的布設應能控制全測區的潮汐變化，相鄰驗潮站之間距離應滿足最大潮高差不大于1 m，最大潮時差不大于2 h。在整個測區范圍內設立嵊泗工作船碼頭、黃龍島、浪崗山和廟子湖共4個臨時潮位站進行同步觀測，同時抄取嵊山長期潮位站的同步潮位資料。利用5個潮位站的潮汐分析，各驗潮站之間的潮時、潮差關系為：工作船碼頭與黃龍島間最大潮高差0.27 m，最大潮時差10 min；黃龍島與浪崗山間最大潮高差0.67 m，最大潮時差63 min；浪崗山與廟子湖間最大潮高差0.23 m，最大潮時差24 min。4個潮位站的地理位置情況分別如下：嵊泗工作船碼頭潮位站位于嵊泗縣馬跡山碼頭東側約340 m，黃龍島潮位站位于嵊泗縣黃龍鄉長山嘴山西南側約150 m，浪崗島的浪崗山潮位站位于嵊泗縣黃龍鄉浪崗山橫峙村海邊，廟子湖潮位站位于普陀區東極鎮廟子湖島客運碼頭。嵊山長期潮位站位于嵊泗縣嵊山島碼頭。

（1）理論最低潮面的確定

理論最低潮面的確定最常用的傳遞推估方法是潮差比傳遞法。利用測區附近已有長期潮位站的深度基準面估算可以得到臨時潮位站的深度基準面。

潮差比傳遞法見式（1）。

式中，RA、RB分別為長期潮位站、臨時潮位站的同步水位觀測期間高低水位潮差的平均值；L（xA，yA）、L（xB，yB）分別為長期潮位站、臨時潮位站的理論最低潮面。

根據上述公式計算得到測區各驗潮站深度基準面成果見表1。

表1 各驗潮站深度基準關系表 單位：m

（2）水位改正

水位改正方案如下：黃龍島以西海域的水深測量資料采用工作船碼頭和黃龍島臨時潮位站的水位資料進行兩站水位改正，黃龍島和浪崗山之間海域的水深測量資料采用黃龍島和浪崗山臨時潮位站的水位資料進行兩站水位改正，浪崗山以東海域的水深測量資料采用黃龍島、浪崗山和廟子湖臨時潮位站的水位資料進行三站水位改正。

2.2 多波束水深測量

本文礁石區測量采用SONIC2024多波束測深系統進行測量，其主要技術性能為帶寬為60 kHz，波束工作頻率為200～400 kHz，覆蓋寬度為10°～160°，最大量程500 m，最大發射率為75 Hz，量程分辨率為1.25 cm。

多波束測深系統在測量定位上一般采用DGPS或RTK的方式，DGPS定位精度可達到亞米級[7]。本文使用美國Trimble公司生產的SPS351型DGPS系統進行定位。

為驗證坐標轉換參數的正確性和可靠性，測量前在測區內已知控制點上進行定位比測。

平面定位中誤差計算見式（2）。

式中，Xp0、Yp0為已知控制點坐標；Xpi、Ypi為實測控制點坐標。

對20組測量數據進行統計，平面點位中誤差為±0.31 m，滿足《海道測量規范》要求。因此采用DGPS定位的方式精度可靠。

（1）布設測線和重疊帶計算

布設測線時注意了測線間距的選擇，實際測量時的掃測條帶寬度取決于水深，所以設計的測線間距根據測區水深和儀器性能指標來確定，確保了兩條相鄰測線間的掃測條帶達到規定的重疊覆蓋比例。在海上外業作業期間要根據實際水深情況和現場作業環境情況合理調整測線間距，以避免出現漏測或不必要的過量重疊，從而提高工作效率。

重疊帶計算見式（3）。

式中，E0為測量船定位中誤差；m1為由測量船測定聲吶頭位置的定位中誤差；m2為定位點中誤差；E1為測量船偏航系統誤差。

根據上述公式計算結合測區水深區域特征，得到如下結果：水深20 m以上，測線間隔為80 m；水深在17～20 m，測線間隔為60 m；水深在13～17 m，測線間隔為40 m；水深在8～13 m，測線間隔為20 m。

（2）多波束系統的校正及聲速測量

多波束系統的各項校正：參數校正包括橫搖偏差、縱搖偏差、艏搖偏差和導航時延。橫搖偏差、縱搖偏差、艏搖偏差的產生主要是由于系統換能器安裝的幾何誤差引起的，導航時延主要是數據傳輸的延遲引起的，是定位儀器本身固有的。這些誤差將會影響測深精度和位置精度，所以海上測量之前對這些參數進行專門的測定。經過校正后參數如圖1所示。

圖1 多波束參數校正圖（單位：m）

聲速資料對多波束數據的準確與否影響很大，因此施放聲速剖面儀必須精確測定。投放前，先進行設置，如采樣間隔、記錄間隔、記錄文件名等。聲速剖面儀入水時先不往下放，幾分鐘后待溫度傳感器穩定了，再慢慢往下放，到達海底后再慢慢往上收。聲速剖面信息在內業后處理時需加入測量文件中進行計算。

（3）水深測量及數據處理

多波束測深系統換能器固定在測量船中部側舷，聲吶頭入水深度約2 m，其他相關配屬儀器設備安裝嚴格按照多波束系統安裝要求實施。外業施測過程中按時進行登記，記錄測線的上線時間、下線時間、坐標、測線號等信息，遇到系統、船只、水深等發生異常情況，記錄好現場情況和處理措施，以備后處理時查閱。

多波束數據處理采用Caris HIPS軟件進行處理，多波束水深數據具有精度高、數據量大等特點[8]。Caris HIPS軟件的兩大特點是海洋測量數據清理系統（HDCS）和數據的可視化模型。HDCS采用科學的數學模型對水深數據進行歸算、誤差識別與分析，采用半自動數據歸算、過濾和分類工具提高人機結合的工作效率，最大限度地消除水深數據中的誤差，以得到理想的精度；數據的可視化模型是HIPS的又一大特點，從原始數據進入HIPS軟件到形成最終的成果，數據處理的每一步都是在可視化的狀態下進行，操作簡單直觀，流程清晰。數據處理過程如圖2所示。

圖2 Caris HIPS工作流程圖

Caris HIPS軟件還可以用三角不規則網或矩形規則網來建立數學模型，在建立好DTM模型的基礎上，可以生成三維立體模型、等值線圖、剖面圖等，也可以進行海洋工程中常用的方量計算，并可通過DTM模型輸出文本格式的測點數據（X、Y、Z）。以馬跡山港池為例，生成的港池水下立體圖如圖3所示。

圖3 港池內水下立體圖

3 測掃聲吶測量

側掃聲吶系統由拖魚、線纜和處理器三部分組成，可對大面積海區的障礙物進行探測。本次側掃聲吶掃海采用EdgeTech4200-FS型側掃聲吶系統，數據速率為6 MByte/s。拖曳系統為TTV-196D雙頻拖魚，具有嵌入式DSP芯片、ADSL數據傳輸接口，分辨率更高，每個通道帶寬更寬。EdgeTech4200-FS海底成像系統的基本原理：EdgeTech4200-FS海底成像系統的換能器在航行方向的左、右兩側發射具有一定指向聲波，照射到在、右兩側一定寬度范圍內的海底表面，當海底表面存在地物時，如礁石、錨、錨鏈、樁、電纜、沉船等地物，聲波觸及地物時產生反向散射的聲波，反向聲波送給換能器接收，信號傳輸至接收機進行放大及處理，再傳輸至終端的顯示器和記錄器反映出一定寬度的海底二維聲圖像，從聲圖像檢測海底地物的性質、大小、高度、范圍。

根據《海道測量規范》要求，結合探測需要，用較高精度的探測量程檔100 m檔（左右各100 m，掃測趟寬度為200 m），對測量海區進行全覆蓋探測。

施測采用拖拽式工作，本次探測是針對具體目標進行，根據目標處的水深情況將拖體的繩長放到水下1 m（水深＜5 m）或2 m（水深＞5 m）不等，采用側拖拖體的工作方式，既保證儀器安全，又可保證不丟失目標。

3.1 聲圖像的解釋

SIS-4200-FS海底成像系統的聲圖資料經過分析，采用計算機繪制成海底地物圖，反映地物分布范圍和類型。外業探測結束后，內業經拖魚與GNSS位置偏差和線纜長度等偏差改正，對側掃影像判讀與分析，并根據量取目標及陰影的尺度[9-10]，確定可疑目標影像。

聲圖像的相關特性和各自特征依據是圖像形狀、色調、大小、陰影和相關體等。形狀是指各類圖形的外貌輪廓；色調是指襯度和圖像深淺的灰度；大小是指各類圖像在聲圖上的幾何形狀大小；陰影是指聲波被遮擋的區域；相關體是指伴隨某種圖像同時出現的不定形狀的圖像。

3.2 側掃聲吶圖像分析

側掃聲吶圖像數據可以獲得海底地物的性質、大小、范圍。海底測掃聲圖像可分類為目標圖像、地貌圖像和水體圖像等。

目標圖像包括沉船、礁石、電纜、水下障礙物及水下建筑物等圖像。地貌圖像包括沙帶、沙川、斷巖、溝槽及各種混合形成的地貌圖像。水體圖像包括水中散體條紋、溫度躍層、尾流塊狀、水中氣泡等圖像。

當各種因素提供充分時，判讀目標的成功率就會越高。對于本文掃測而言以目標圖像的判讀為主。

以馬跡山港3#錨地為例，該區域為典型的流沖刷形成的海底，海底地勢平坦，如圖4所示。該區域內西北邊緣有一處暗礁區域，如圖5所示。

圖4 3#錨地底質之聲像圖

圖5 3#錨地障礙物聲像圖

4 掃海測量的對比分析及綜合應用

4.1 多波束測深系統及側掃聲吶系統的對比

多波束測深系統可以進行全覆蓋水深測量，優點在于定位精度高、噪聲小、能進行三維可視化分析。多波束聲吶通常安裝在測量船或載體上，由于多波束聲吶的測量方式導致聲吶圖像的分辨率及信噪比較低，且隨著水深的增加進一步降低。

側掃聲吶系統采用拖曳模式來貼近海底進行測量，可以呈現豐富的海底紋理。

側掃聲吶系統與多波束測深系統對比，受拖曳測量模式與采用單寬波束發射模式的影響，側掃聲吶的位置不夠準確且波束的定位精度較低，進而導致側掃聲吶圖像中存在位置精度差、海底形狀畸變、波束缺少高程信息、無法準確地反映海底地形起伏變化等不足[11-12]，定位精度遠低于多波束測深系統。側掃聲吶與多波束相比可以采用遠高于多波束聲吶的聲波頻率和采樣頻率，通過相等時間采樣，可以在單次脈沖中獲取遠多于多波束圖像的后向散射強度回波數。因此，側掃聲吶海底圖像的分辨率遠高于多波束聲吶圖像。

4.2 多波束測深系統及側掃聲吶系統的結合

多波束測深系統及側掃聲吶系統二者同樣可以反映海底地貌特征，測量信息具有較強的互補性，因而融合二者可獲取高精度高分辨率的海底地形與地貌圖像。

圖像結合的方法是利用多波束聲吶和側掃聲吶圖像的匹配，來實現側掃聲吶圖像與多波束測深地形疊加。首先，對多波束聲吶圖像和側掃聲吶圖像依次開展數據歸化、分類和形態學處理，獲得二者的底質分類圖像；然后，通過對兩種底質圖像部分區域匹配并獲得對應的匹配特征點對，進而對側掃聲吶圖像進行位置校正；最后，利用具有準確位置的側掃聲吶圖像和高精度的多波束測深地形，疊加獲得了高位置精度和高圖像分辨率的海底地形與地貌圖像，實現了對海底地形起伏變化和海底特征準確精細地呈現。

通過對馬跡山港中轉西航道水域的實測多波束聲吶與側掃聲吶數據進行融合，并與地形進行位置疊加，證明了該方法的有效性和正確性。進港內航道多波束匹配后生成對的三維效果圖如圖6所示。匹配后的側掃聲吶的聲像圖如圖7至圖9所示。

圖6 進港內航道三維圖

圖7 進港內航道三維圖外馬蹄礁石聲像圖

圖8 進港內航道三維圖2#礁石聲像圖

圖9 進港內航道三維圖3#～6#礁石聲像圖

多波束測深系統生成的三維圖能夠準確查詢海底地物的三維信息，確定最淺點和精確地位置。側掃聲吶系統聲像圖能直觀反映海底地物的性質、大小和分布范圍。

通過對相同區域內兩種底質圖像進行匹配，獲取障礙物的準確深度、范圍、位置等屬性信息，得出結論如下。

2#礁最淺深約25.5 m；3#礁最淺深約25 m；4#最淺深約25 m；5#礁最淺深約25 m；6#礁最淺深約25 m；外馬蹄礁呈右淺左深狀（北淺南深），最淺深約23 m。

2#礁頂部呈現約120 m×110 m范圍，礁石底部深約50 m；3#礁至6#礁由北向南連成一個大礁盤，3#礁整個礁盤頂部呈現約450 m×80 m范圍，礁盤底部深約50 m；4#礁頂部呈現約90 m×70 m范圍；5#礁頂部呈現約150 m×80 m范圍；6#礁連著5#礁，礁石頂部呈現大約60 m×70 m范圍；外馬蹄礁頂部呈現大約140 m×80 m范圍。

校正后的側掃聲吶圖像中特征點位置最大差值從原來的15 m降低到了2 m，顯著地提高了側掃聲吶圖像的位置精度。

5 結論

針對馬跡山港中錨地、航道、淺灘等特殊地形，本文采用多波束測量數據和側掃聲吶相結合進行掃海測量，通過對測量數據、三維圖像、聲像圖等方法進行比較，分析了多波束圖像和側掃聲吶圖像的特點，得出合理的結論。

利用多波束、側掃聲吶兩種不同的設備進行掃海測量，提高了不同方法的可靠性。特別是多波束和側掃聲吶配合在水下目標的探測方面可以進行良好的優勢互補，將兩者的影像在底質和地理位置上進行疊加，極有力地提高了海底地物地貌解譯的準確性，可以很好地對水下目標物實現很好的解譯工作，為港口及船舶通行的安全提供了有力保障。