測深型側掃聲吶細物識別及淺水測量精度分析

摘要：淺水區域水下地形全覆蓋測量的效率提升是水下測量一大難題。EdgeTech 6205S測深型側掃聲吶系統（簡稱“6205S”）測深、雙頻側掃的集成度高，可以產生實時、高分辨率雙頻側掃聲吶數據和高質量測深數據（超過200°的側掃寬度）。對比了6205S系統與常規多波束、單波束系統的測深精度及細物識別能力。結果表明：6205S系統細物識別準確，與單波束、多波束系統水深結果一致;測深精度滿足國際海道測量組織（IHO）特等測深精度要求及《工程測量規范》中水深測量要求;測量效率可達到常規多波束的2～3倍。

關鍵詞： 測深型側掃聲吶; 水下地形; 細物識別; 精度分析

中圖法分類號：P229.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.001

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0001 - 03

0 引 言

近年來，隨著對水下探測需求的不斷增長，高分辨率測深側掃聲吶的研究越來越受到重視[1]。淺水區域水下地形全覆蓋測量的效率提升是水下測繪領域一大難題，而激光測深受限于水質等環境要素的制約。利用多波束進行全覆蓋水深測量和利用側掃聲吶進行海底水體目標的探測技術開始出現。通過綜合利用多波束水深數據和側掃聲納數據，可有效增強不同觀測數據的互補性，提高工程質量[2]。

本文運用EdgeTech 6205S測深型側掃聲吶系統（簡稱“6205S”）測深、側掃的高集成性能，獲取了高精度三維水深及高分辨率側掃數據，并對細物識別能力進行驗證。

1 淺水區域水深比測及細部識別數據采集

1.1 6205S系統組成及技術參數

6205S系統集成EdgeTech全頻譜CHIRP技術，采用多相位回聲（MPES）技術，系統聲吶使用10個接收通道和一個單獨的發射通道。接收通道的增加，高效抑制了淺水中的多徑途傳輸影響發、反射和聲學噪聲，可實現更寬的覆蓋范圍。6205S系統主要包含：EdgeTech 6205S換能器、甲板單元、采集電腦、GNSS、OCTANS光纖羅經、聲速剖面儀、控制軟件、采集軟件及后處理軟件;系統技術參數見表1～2。

1.2 同步數據采集

在長江荊江段選取一段水深小于15 m區域同步開展6205S系統、多波束測深系統數據采集;區域內涵蓋沙波、拋石、丁壩等豐富的地形地貌;并在大連某淺水港區同步開展6205S系統、單波束水深測量。6205S系統經過安裝調試、校準、數據采集和數據處理等一系列步驟，采用8倍（相當于波束開角約152°）水深模式，最高可達12倍（相當于波束開角約161°）水深，獲得三維水下地形數據和高分辨率的水下地貌圖像見圖1。多波束測深系統水下地形實時采集（波束開角115°）效果見圖2。

2 細物識別及精度對比分析

2.1 6205S系統細物識別成果質量

長江荊江段覆蓋了沙波、拋石、丁壩等地形地貌;6205S系統側掃數據見圖3，在實時采集過程中就可以清晰辨別出水底地貌。應用后處理軟件生成三維水下地形見圖4，三維點云局部放大見圖5。

通過三維點云及曲面紋理可以清晰分辨出水下區域中丁壩及沙坡形態、拋石區域范圍，且含有任意一點的三維信息。輸出結果滿足各種地形圖制作要求，亦可通過側掃數據，進行底質分類。

2.2 6205S系統測深精度分析

將系統生成的三維地形與常規多波束生成三維地形模型進行疊加，并在含有丁壩、拋石、沙波的區域進行斷面提取，提取位置及斷面見圖6。

從圖6可以看出，6205S系統和常規多波束系統所得的三維水下地形高度吻合，細部表現也基本一致。

利用大連某淺水港區的同步6205S系統和單波束數據進行重合點高程較差分析，主要將單波束測點疊加到6205S系統生產的三維立體模型中，利用ArcGIS軟件進行提取分析，得到較差分布（圖7，表3）。

從高程較差分布圖和統計表可以看出，誤差分布與水深成正相關關系，且中誤差都在±0.15 m以內，最大為±0.124 m。滿足GB 50026-2007《工程測量規范》的水深測量要求：1 mlt;水深≤10 m，中誤差±0.15m;10 mlt;水深≤20 m，中誤差±0.20 m;滿足《IHO海道測量規范》特等測深極限誤差（95%置信度）±0.25 m規范要求，粗差率最大為4.38%，小于5%。可以看出6205S系統的測深精度可以滿足1∶2 000及更小比例尺水下地形測量精度要求。

3 結 論

通過6205S系統與常規多波束及單波束的比較分析，可以得出以下結論。

（1） 6205S系統是集側掃與測深的多源集成采集系統，保留了傳統側掃設備的優勢，可以得到實時高分辨率的水底影像，進行細物識別及分類。

（2） 6205S系統水深測量精度滿足1∶2 000及更小比例尺水下地形測量要求，測深精度滿足《工程測量規范》及《IHO海道測量規范》。

（3） 6205S系統可達到8倍水深測量，最大可達到12倍水深，是常規多波束（一般開角120°，約3.5倍水深）的2.5到3.5倍左右，大大提高了水下測量效率。

參考文獻：

[1] 孫宇佳，劉曉東，張方生，等.淺水高分辨率測深側掃聲納系統及其海上應用[J].海洋工程，2009（4）：96-102.

[2] 羅深榮.側掃聲納和多波束測深系統在海洋調查中的綜合應用[J].海洋測繪，2003，23（1）：22-24.

（編輯：江 文）