基于多波束測深系統(tǒng)的海南港北港水深測量應(yīng)用

張楚琦

（交通運輸部南海航海保障中心 廣州海事測繪中心，廣東廣州 510000）

港北港是海南省一個深水良港，位于海南省東南偏東部的萬寧市和樂鎮(zhèn)。萬寧市東瀕南海，西與瓊中縣交界，東南與陵水縣毗鄰，北與瓊海市接壤，南距三亞市112 公里，北離海口市139 公里，處于東線高速公路中部。

本次測量范圍如圖1 所示，區(qū)域概圖見圖2。

圖1 測量區(qū)域衛(wèi)星遙感影像

圖2 測量區(qū)域概圖

1 多波束測深系統(tǒng)及原理

多波束測深系統(tǒng)，又稱為多波束測深儀、條帶測深儀或多波束測深聲吶等，多波束測深系統(tǒng)是一種高精度、高分辨率、高效率的一種水下地形測量技術(shù)[1]。相較于單波束測深儀，其具備自動化成圖、數(shù)字化記錄、高精度、高速度、大范圍等優(yōu)勢，近年來應(yīng)用的范圍越來越廣[2]。系統(tǒng)主要由三個子系統(tǒng)組成，其一是多波束的發(fā)射和接收系統(tǒng)以及相關(guān)的換能器綜合信號控制處理系統(tǒng)。其二是用于多波束系統(tǒng)服務(wù)的輔助系統(tǒng)，包括為多波束系統(tǒng)提供測量定位的衛(wèi)星定位系統(tǒng)、測量產(chǎn)品運行狀態(tài)的測量系統(tǒng)以及聲速剖面儀等。其三是多波束聲波測量數(shù)據(jù)的解析處理軟件系統(tǒng)，包括信息分析處理軟件、信息數(shù)據(jù)對比和整理軟件以及信息儲存庫等。

多波束測量系統(tǒng)通過線狀聲波對航道底部的地形進(jìn)行測量，將多線索構(gòu)成面，從而得到航道水下地形的三維圖片。其工作原理就是利用聲波發(fā)射器陣列于水下發(fā)射一定寬度的扇形覆蓋聲波，利用聲波遇到障礙物會進(jìn)行反射的原理，對反射的聲波進(jìn)行收集和分析。這些被反射的聲波在數(shù)據(jù)處理軟件的處理下被解析為成千上萬的單個測深點的深度值，據(jù)此繪制出水底的三維地形圖。其中，多波束測深系統(tǒng)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(dāng)開角變大時，對海底反映的詳細(xì)度相對較差[3]。本次測量使用R2SONIC2022 多波束測深系統(tǒng)，其測深，定位、測深精度符合測圖要求，所有儀器在測前進(jìn)行檢驗及檢查，檢驗、檢查方法正確，精度符合要求。

2 多波束測深系統(tǒng)測量應(yīng)用情況

2.1 多波束數(shù)據(jù)采集

2.1.1 基準(zhǔn)面與平面控制

本次測量中，測圖使用高斯3o帶投影，中央子午線為111o，其平面控制采用2000 國家大地坐標(biāo)系，平面控制資料由中心資料室提供，控制點點位保持良好，精度符合測圖要求，DGPS 接收機(jī)輸出的成果為WGS-84 坐標(biāo),在航海用途上，WGS-84坐標(biāo)系與2000 國家大地坐標(biāo)系等同，因此采集定位數(shù)據(jù)時，無須進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

2.1.2 水位控制

本次測量深度基準(zhǔn)面采用理論最低潮面，通過設(shè)立港北港內(nèi)峙臨時驗潮站進(jìn)行水位控制，驗潮站采用四等水準(zhǔn)聯(lián)測了至少兩個水準(zhǔn)點；驗潮站水尺與水準(zhǔn)點高差按四等水準(zhǔn)要求聯(lián)測，并定期檢測工作水準(zhǔn)點與水尺零點間的相互高差有無變動，通過檢測，驗潮站水尺零點未發(fā)生變動，潮位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可以采用。

2.1.3 測線布設(shè)

為了提高掃測效率，多波束掃測時布設(shè)計劃測線方向與航道方向一致。主測深線的間距已經(jīng)保證相鄰測線有效掃寬相互重疊,并小于有效測深寬度的80%。在淺點掃海等重要航行水域，測深線的間距小于有效測深寬度的50%。有效測深寬度應(yīng)根據(jù)儀器性能、回波信號質(zhì)量、潮汐、測區(qū)水深、測量性質(zhì)、定位精度、水深測量精度以及水深點的密度而定；所有測線均延長了200 米，保證姿態(tài)傳感器的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)覆蓋。

2.1.4 多波束安裝偏移

船體坐標(biāo)系以姿態(tài)傳感器為坐標(biāo)原點；X 軸：垂直船艏方向，指向船右舷為正；Y 軸：沿船艏方向，指向船艏為正；Z 軸：鉛垂方向，向下為正。各單元位置關(guān)系見表1：

表1 多波束測深系統(tǒng)各單位位置關(guān)系表

多波束安裝示意圖見圖3：

圖3 多波束測深系統(tǒng)安裝示意圖

2.1.5 多波束校準(zhǔn)

按照既定的校準(zhǔn)方案，在海圖上大約15m 深的水域附近進(jìn)行了系統(tǒng)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的順序為定位時延(Latency）（由于本套多波束自帶PPS 與ZDA，所以本次水深測量時延不需要校準(zhǔn)，即時延為0秒）、橫搖偏差(Roll)、縱搖偏差(Pitch)、艏向偏差(Yaw)。橫搖偏差的校準(zhǔn)在海底平坦且水深較大的地方，使用等距波束模式正反向行駛，船速保證前進(jìn)方向的波束交迭≥100%；縱搖偏差的校準(zhǔn)在航道外平坦斜坡上進(jìn)行，以不同的速度行駛，采集數(shù)據(jù)時使用等角波束模式；艏向偏差的校準(zhǔn)在淺水有明顯障礙物的兩邊布置兩條相鄰測線使用等距波束模式進(jìn)行，相鄰的線有稍大于30%的覆蓋率。

系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)的計算在Caris HIPS Calibration模式由兩人分別進(jìn)行，得到的幾組結(jié)果剔除粗差后取平均值作為最終校準(zhǔn)參數(shù)。將最終結(jié)果輸入Caris 船配文件(*.hvf)的Swath1 傳感器中，在后處理的合并步驟改正到測深數(shù)據(jù)中。

2.1.6 聲速改正

采用表層聲速儀進(jìn)行多波束換能器實時表層聲速測量及改正；測量期間每天使用聲速儀進(jìn)行多次聲速測量，對多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正。

單波束測量則在測深第一天進(jìn)行平均聲速測量，將測量值輸入測試儀，作為測深儀的初始聲速。

2.2 相關(guān)數(shù)據(jù)采集

測量過程中使用多波束掃測時，采用RBN-DGPS 差分定位方法進(jìn)行定位，輸送WGS-84坐標(biāo)進(jìn)行船舶導(dǎo)航及位置數(shù)據(jù)采集，通過多波束換能器、姿態(tài)傳感器和表層聲速儀進(jìn)行水深、船舶姿態(tài)、表層聲速等數(shù)據(jù)的采集，通過QinSy 多波束外業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的綜合采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理

操作過程中，采用Caris 公司的HIPSandSIPS8.1軟件進(jìn)行多波束內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，對外業(yè)過程采集來的導(dǎo)航數(shù)據(jù)及各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和處理，通過設(shè)定合理的過濾參數(shù)去除水深采集數(shù)據(jù)中存在的假信號。

多波束數(shù)據(jù)處理流程見圖4：

圖4 多波束數(shù)據(jù)處理流程

(1)建立船配(HVF)文件；

(2)建立項目，導(dǎo)入數(shù)據(jù)；

(3)編輯導(dǎo)航和姿態(tài)(Pitch、Roll、Yaw、Gyro)數(shù)據(jù)；

(4)進(jìn)行聲速和潮位改正，合并數(shù)據(jù)；

(5)對船配文件中的船姿(Latency、Pitch、Roll、Yaw、Gyro)安裝及定位偏移值進(jìn)行校準(zhǔn)后，重新合并船配數(shù)據(jù)；

(6)計算TPU，定義地域圖表，調(diào)試參數(shù)生成CUBE 面(0.25m-2m 分辨率)；

(7)在子區(qū)模式(SUBSET)下進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查和標(biāo)記特殊水深，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行面過濾；

(8)數(shù)據(jù)處理完成后，輸出BAG 產(chǎn)品面和ACSII 碼數(shù)據(jù)。

2.4 精度評估

本次多波束水深測量應(yīng)用中采用主檢比對法進(jìn)行精度評估，將多波束及單波束主測深線水深數(shù)據(jù)與檢查線水深數(shù)據(jù)相比較，按圖上1mm 的比對半徑，共比對有效水深113 個，符合情況良好，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2 所示，統(tǒng)計結(jié)果符合精度要求。

表2 主檢比對數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3 數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制及成圖檢查

在數(shù)據(jù)處理過程中，進(jìn)行了定位、姿態(tài)、聲速、潮汐的改正和檢查，采用CUBE 算法等統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)自動過濾，人工進(jìn)行數(shù)據(jù)QC 和水深標(biāo)記，盡量減少人為主觀影響。多波束數(shù)據(jù)處理時根據(jù)水深和地形特征調(diào)整設(shè)置CUBE 參數(shù)和建面分辨率，在過濾前后均在子區(qū)模式下進(jìn)行了反復(fù)的數(shù)據(jù)檢查，對處理過程中發(fā)現(xiàn)的可疑點從波束號、回波強(qiáng)度、旁瓣影響等方面進(jìn)行綜合分析，無法判斷或影響通航安全的淺點均安排了復(fù)測。數(shù)據(jù)成圖時，多波束數(shù)據(jù)之間比較了內(nèi)符合精度，再與單波束檢查線水深比較了外符合精度。

水深數(shù)據(jù)資料歷時數(shù)天的整理，流程符合規(guī)范要求，采用CarisHIPS 軟件進(jìn)行多波束聲速改正、潮汐改正、條帶和子區(qū)編輯清理異常、虛假水深；采用Hypack 軟件進(jìn)行單波束數(shù)據(jù)處理、特深點選取、主檢比對等工作；采用CASS 進(jìn)行圖廓編輯、圖面整飾、等深線勾繪、底質(zhì)注記。成圖水深取舍合理、圖面清晰整潔、圖板整飾正確，圖式符號應(yīng)用正確，文檔資料齊全、完整、無缺漏，字體、格式統(tǒng)一，各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)正確。成果數(shù)據(jù)質(zhì)量真實可信，質(zhì)量優(yōu)秀，可以采用。

本次測量成圖水深與上一版海圖水深相比較，本次水深測量按設(shè)計書要求測至水深2 米線，兩次水深測量水深沒有明顯變化，水深吻合較好。多波束掃測時單波束同步記錄，后期數(shù)據(jù)檢查時先比較多波束和單波束密采水深，實踐證明該方法能較為全面檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 結(jié)語

本次測量采用信標(biāo)差分定位，R2SONIC 2022多波束測深儀測深，定位、測深精度符合測圖需求；所有儀器在測前進(jìn)行了檢驗及檢查，檢驗、檢查方法正確，精度符合要求，驗潮站布設(shè)合理，能有效控制整個測區(qū)，水位改正方法正確；測深線布設(shè)合理，海底地貌探測完善。航道測量作為制作航道圖的基本工作，多波束系統(tǒng)依靠精密的探測系統(tǒng)和先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，有效提高了航道測量的精確度及可靠性。多波束系統(tǒng)在航道測量中的應(yīng)用，要注意測線的布置。