多波束測深數據采集質量監控方法探討

王 啟，劉勝旋

（1.中國地質調查局廣州海洋地質調查局,廣東 廣州 510760；2.自然資源部海底礦產資源重點實驗室,廣東 廣州 510760）

多波束測深是海洋地質調查前期的一種重要的方法手段[1]。多波束測線條帶覆蓋寬度與水深成正比,作業效率高,可對海底進行全覆蓋測量,在海洋地質調查中具有不可替代的作用。高質量的多波束測深資料可提供可靠的海底地形地貌特征,為其他海洋調查方法手段（海底攝像、ROV、站位取樣等）的開展以及后續海洋礦產資源勘探開發、研究利用和環境評價提供一定的基礎支撐。多波束資料成果質量不僅與多波束測深系統自身測量精度有關,還與其他相關輔助調查設備的測量精度、水域環境、工作參數以及數據采集現場質量監控等因素密切相關[2]。多波束原始數據質量將直接影響資料處理成果的質量,因此提高現場質量監控方法是獲得高質量原始數據的一項重要措施[3]。為了獲得高精度、高質量的多波束原始資料,本文主要針對多波束數據采集過程中的關鍵問題,探討了多波束數據采集現場的質量監控方法。

1 準備階段

1.1 資料收集

海洋是一個極其復雜多變的環境,為了保障野外數據采集工作的順利完成和減少突發事件的發生,海上作業前應多收集目標工區已有的水文、氣象資料,在淺水域作業時還需掌握工區漁網、暗礁以及淺灘分布等信息,并根據已知資料制定合適的野外資料采集實施方案。整個數據采集過程應嚴格遵循水深測量相關規范,按照實施方案要求做好質量控制,保證數據采集質量[4]。

1.2 系統測試

航行前應全面檢查調查船是否滿足海上作業要求,檢查導航定位系統是否正常工作,檢查和校準聲速剖面測量儀、運動傳感器等設備,以確保各系統正常工作[4],這是開展數據采集的前提條件。海上多波束測深數據采集時間一般較長,需要長時間、連續不間斷的工作,因此作業期間需對相關調查設備進行定期檢查,將設備運轉情況記錄在案,確保設備一直處于安全、正常工作狀態,保證野外數據采集工作順利運行。

2 現場質量監控

2.1 參數校正

正式開展多波束測量前,需要選擇合適的區域進行參數校正。參數校正區域應包含平坦地形和一定起伏的特征地形,參數測試過程中船速不易過大,最高船速一般不要超過8節。參數校正主要包括定位時間延遲校正、橫搖偏差校正、縱傾偏差校正和艏向偏差校正[5-6],其中定位時間延遲是由于多波束測深系統采用的時間與定位時間不同步或多波束測深系統與定位系統在相同時刻的定位信息不相同而產生的[7],定位時間延遲校正一般選擇在具有一定坡度變化的特征地形上進行,調查船沿同一測線相同方向、以不同的船速分別采集數據；橫搖偏差校正一般選擇在平坦地形區域進行,縱傾偏差校正一般選擇在具有一定坡度變化的特征地形上進行,調查船以相同船速沿同一測線、相反的方向分別采集數據；艏向偏差校正一般選擇在特征地形上進行,設計兩條穿過特征地形的測線,調查船沿同一方向以相同的船速分別采集數據。將參數測試數據導入Caris軟件中進行處理,通過現場參數校準后,所有相鄰測線測深條帶一致性良好,如圖1所示。

圖1 海底地形剖面圖

為了保證數據采集質量,參數測試時需要布設檢查線,采用相對誤差進行測量水深精確度評估。相對誤差愈小測量精度愈高,且以相對誤差來評估水深測量精度也與測深儀的精度指標相符[8]。假設重復測量點處主測線的水深值為D1,檢查線的水深值為D2,該重復測量點的不符值為D1-D2,二者的平均值D視作測量真值,則重復測量點不符值的相對誤差公式為:

參數測試數據質量應滿足不低于90%置信度的要求。數據質量精度達到規范要求后,將校正后的定位時間延遲、橫搖偏差、縱傾偏差和艏向偏差參數輸入多波束測深系統中,用于工區資料采集和監控。在野外資料采集過程中,當相關儀器設備安裝位置因故障發生變化時,應把重新測量后的相關安裝參數準確無誤地記錄到野外資料采集報告中,使室內資料處理人員準確了解野外數據采集情況,避免設備安裝參數變化產生的數據誤差。

2.2 海況影響

海況是影響多波束測深數據質量的重要因素之一,惡劣的海況是噪音數據產生的主要原因。在多波束野外作業過程中,受風、浪、涌和流的影響,船和換能器的姿態不斷發生變化,當海況較差時,發射和接收波束的覆蓋區發生偏離,多波束原始數據中將含有較多的噪音信號,且邊緣波束往往較差[9],嚴重影響數據質量。在海況特別惡劣的情況下,波束丟失極為嚴重,數據無法滿足相關規范要求,應立即停止作業。另外,在海岸帶等淺水域進行多波束資料采集時,由于工區浮標、漁網眾多,夜間作業將對船舶航行和調查設備帶來巨大的安全隱患,為保證設備和人員安全,應盡可能避免夜間作業。

2.3 條帶重疊率

多波束主測線布設在原則上應平行于等深線方向,檢查線與主測線的夾角應大于70°,且至少應與工區內80% 的主測線相交。海洋多波束調查一般為全覆蓋測量,為防止出現漏測現象,相鄰測線條帶重疊率需達到10%以上[10]。

為了對數據采集質量進行有效監控,需要每天把采集的原始數據加載到Caris處理軟件中進行初步處理,檢查數據質量。現場處理具有室內后處理無法比擬的優勢,現場更清楚野外數據采集的情況,可針對實際情況對數據進行分析處理。我國南海東沙海域多波束局部海底地形剖面圖如圖2所示,調查初期發現相鄰條帶剛剛相接,條帶重疊率極低,遠沒有達到規范要求的10%,甚至在地形曲面上出現少量空洞。為了保證數據采集質量,需及時將原始數據情況告知數據采集相關技術人員,在后續作業過程中適當減小測線間距,加大相鄰測線條帶的重疊率。

圖2 我國南海東沙海域局部海底地形剖面圖

測線間距調整后,后續數據采集中相鄰測線條帶的重疊寬度明顯加大,除在海底地形起伏變化較大的區域條帶覆蓋寬度突然變窄外,大部分區域相鄰測線條帶重疊率達到10%以上,滿足相關規范要求。另外,中央波束發散度與邊緣波束發散度相差不大,數據質量較好,如圖3所示。

圖3 調整后我國南海東沙海域局部海底地形剖面圖

2.4 濾波設置

采集系統中通過設置濾波參數可過濾掉質量較差的邊緣波束和部分噪音數據,提高數據采集質量。濾波設置主要包括波束角和水深濾波。水深一定時,波束角越大條帶覆蓋寬度就越大,因此通過設置波束角大小可限制條帶覆蓋寬度。當海況較好時,可適當增大波束角,加大條帶覆蓋寬度,提高作業效率；當海況較差時,邊緣波束質量往往較差,應適當減小波束角,提高數據采集質量。水深濾波是指根據水域情況設置水深測量范圍,濾除淺層噪音干擾和海底多次波。在多波束資料采集過程中,應根據當前水深對未來一段時間將要測量的水深進行提前預判,設置相應的濾波參數。合適的濾波參數可有效濾除較多的噪音信號,較準確地跟蹤海底。水深測量范圍與實際水深值越接近濾波效果越好,采集的原始數據質量就越高[9]。

多波束資料采集時,由于海底地形突變的影響,條帶覆蓋寬度急劇變化,導致相鄰條帶間產生空白區域,因此野外應時刻關注監控窗口,根據當前測量水深對地形和條帶覆蓋寬度進行提前預測,及時提醒駕駛臺適當修正航線。在一些地形復雜的區域,由于水深變化大,海底跟蹤易出現異常,導致采集到假數據。我國南海東沙海域調查區局部海底地形如圖4所示,紅色區域地形原本是一個平頂海山,海山周圍水深變化大,山頂至山腳水深為380～1 800 m,由深水向淺水進行資料采集時海底跟蹤出現異常,換能器接收到來自海底的虛假信號,水深曲面上形成虛假地形。對于出現異常波束的區塊應進行重新測量,補測后的調查區局部真實海底地形如圖4c所示,海山頂部平臺地勢較平坦,水深為380～420 m。

另外,在海山、海溝和丘陵等地形復雜區域,應重點對數據采集質量進行實時監控,合理控制船速,及時調整濾波參數,避免濾除有效數據。對于由于水深突然變淺、條帶突然變窄而產生的較大空白區域,需加布測線對其進行補測。

2.5 吃水測量

多波束測深作業前后應測量換能器的吃水深度。在實際作業過程中,船載生活用水和燃料的不斷減少導致船體和換能器的吃水深度減小,調查后期為了保持船舶穩定,一般會往水倉加注海水,換能器吃水深度又會增加,因此在加注壓倉水前后應測量換能器的吃水深度。測量吃水深度應選擇在海況良好、船體處于平穩狀態時進行,多次測量互差應小于10 cm,取其平均值作為當前吃水深度。后期數據處理時將作業期間換能器吃水變化輸入到船配文件中,以消除換能器吃水變化對數據精度的影響。

2.6 潮汐測量

在深海海域,資料處理時可利用預報潮汐或不加載潮汐數據；但在海岸帶等淺水海域,水深淺、潮汐將對成果資料產生重要影響。另外,近岸淺水海域潮汐性質較復雜,加載預報潮汐后相鄰測線條帶拼接仍會出現異常,不能完全消除潮汐產生的數據誤差。如果工區附近有可用的潮汐觀測站,則利用潮汐觀測站數據進行潮汐改正；但在實際海上作業時,潮汐觀測站距離目標工區往往較遠,潮汐觀測站數據與工區實際潮汐存在明顯差異,因此需合理布設臨時驗潮站,記錄資料采集期間的實時潮汐數據,用于室內資料處理潮汐改正。

2.7 聲速測量

聲速剖面是影響多波束測深數據質量的重要因素之一。多波束資料采集時,海水聲速結構的不均勻性導致聲波傳播方向發生改變,產生聲線彎曲[11],從而使海底地形發生畸變,直接影響多波束測深數據的精度[9]。影響聲速的因素主要包括溫度、鹽度和壓力,其中溫度對海水聲速影響最大,且聲速隨海水溫度、鹽度和深度的增大而增大[12]。表層聲速對測深精度的影響最顯著[13],當表層聲速偏小時,邊緣波束對稱上翹,條帶呈“笑臉”狀；當表層聲速偏大時,邊緣波束下凹,條帶呈“哭臉”狀；表層聲速過大或過小均會使相鄰條帶拼接產生異常,異常區域地形曲面上呈“隆起”或“溝壑”狀。

在海岸帶等淺水海域,水質情況比較復雜,水溫隨時間變化的特征顯著；而海水溫度對聲速影響最大,同一位置在不同時間測量的聲速剖面存在明顯差異[14],這種因聲速剖面變化產生的海底地形畸變現象在淺水域十分明顯。因此,多波束資料采集時應合理布設聲速剖面測量站位,根據工區實際情況適當加大聲速剖面在空間和時間上的分布密度[15-16]；在后續處理中利用實測聲速剖面進行聲速改正,可減小聲速剖面變化產生的水深誤差,以提高資料處理成果質量。另外,數據采集時應注意觀察實時監控窗口,當實時表層聲速發生較大變化或邊緣波束出現對稱彎曲現象時,應及時更換或重新測量聲速剖面。

3 結 語

根據參數校正、海況、條帶覆蓋寬度、濾波設置、換能器吃水、潮汐和聲速等影響多波束測深資料采集質量的因素,本文針對資料采集各環節中的問題,詳細闡述了要點以及相應的處理方法,提高了多波束測深資料采集現場質量監控的水平。該方法可為多波束測深資料采集提供一定的技術指導,為室內資料處理提供高質量的原始資料,以提高資料處理成果的精度和質量。