基于Caris Hips的ResonPDS格式數據聲速剖面改正方法

摘要：聲波在水體中的傳播速度受溫度、鹽度、壓力等因素影響，聲速剖面改正是獲取高精度測深數據的重要步驟。受ResonPDS數據特殊格式限制，主流的多波束數據處理軟件Caris Hips無法采用傳統的方法進行處理，解析測線的相鄰重疊部位會出現明顯的錯位現象。為解決Caris Hips軟件與ResonPDS格式數據不兼容問題，提出了一種基于Caris Hips軟件對ResonPDS格式數據聲速剖面改正方法。試驗結果表明：該方法的解析數據具有更好的一致性，質量優于傳統方法。

關鍵詞：多波束測深; Caris Hips軟件; ResonPDS格式; 聲速校正; 水下地形

中圖法分類號：P229.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.019

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0062 - 04

0 引 言

測深數據是繪制水下地形圖的基礎數據。隨著社會經濟的發展，對于水底地形的測量精度要求也在不斷提高，尤其是在航道治理、碼頭清淤、水下施工等領域。在此背景下，具有高精度、高作業效率的多波束測深技術在世界各國精密海底地形測量中被推廣應用。數據成果精度高低主要取決于各項影響精度因素的內業處理改正情況，因此處理方法十分重要。

多波束測深系統各項改正中影響精度因素主要涉及潮位（參考基準面）變化、換能器吃水變化和水介質聲速變化3個方面。因此多波束測深系統相應的數據改正應包括潮位改正、換能器吃水改正和水介質聲速剖面改正3項。其中，潮位和換能器吃水改正一般通過預報或實測數據直接進行深度改正，由于介質聲速不僅受水團運動影響而經常發生復雜變化，且不同的聲速結構將直接影響波束射線的空間路徑，因此聲速改正是各項數據改正中最重要、同時也是最難控制的影響因素。海水聲速對多波束測深系統的測量數據（尤其是邊緣波束的測深數據）影響很大，聲速剖面的正確與否，直接關系到測量數據的準確性。為了達到為多波束測深系統提供正確的聲速剖面的目的，所采取的方法和手段稱為聲速校正技術。對于高精度的追求也促使了該領域出現了很多的改正技術，其中多波束聲速改正問題一直是研究的重點，各國學者對聲速改正問題進行了大量研究，提出多種聲速改正方法，如三角法、等聲速、等梯度、聲線跟蹤法等[1-2]。

Caris Hips是目前被廣泛使用的一款多波束數據后處理軟件，雖然能夠處理幾乎目前所有的多波束數據格式，但是在處理流程上還存在一定差異。尤其是在聲速剖面改正上，對于較常用的XTF格式可以按照標準化的流程進行處理，過程較簡單。而對于ResonPDS格式數據就無法使用傳統方法，這主要是由于ResonPDS數據格式有其自身的特殊性。本文針對ResonPDS格式數據，基于Caris Hips提出一種較好的聲速剖面改進改正方法，提高了多波束測量成果精度。

1 Caris Hips聲速剖面改正模型及方法

聲波在水體中的傳播速度c：

由于聲速隨著深度的增加逐層發生變化，大開角的多波束要想獲得準確的聲速傳播路徑必須進行逐層追蹤歸算。因此在多波束數據后處理中正確地進行聲速剖面改正是獲取高精度數據至關重要的一步，尤其是在大水深區域，必須進行聲速剖面改正[4]。

在Caris Hips 9.0版本之前，Caris所采用的聲速剖面改正模型是基于常梯度聲線跟蹤法的原理進行的，并且對于聲線姿態的改正是根據實際的姿態角度來直接計算聲線的實際入射角和水平角，然后通過聲線位置計算，直接計算聲線位置[5]。2015年，Caris發布了用于聲速剖面改正的最新算法，該算法是基于加拿大紐布倫斯威克大學海洋測量組的研究成果所提出。該算法不再將多波束換能器作為一個整體考慮，而是在進行聲線追蹤時將發射陣列和接收陣列分別考慮（圖1）。 并且，針對獨立陣列可以計算每個波束到海底和返回的路徑，利用這種算法改正過的數據更加準確[6]。

對于測區面積或時間跨度較大的工程項目，通常會存在多條聲速剖面，為了避免分別對各組數據應用不同的聲速剖面文件所造成的重復操作，Caris Hips軟件采用的方式是建立一個聲速剖面文件（內含多條帶有位置和時間的聲速剖面），然后基于時間和距離（Previousin Time， Nearest in Time， Nearest Distance Within Time， Nearest in Distance）來選擇合適的聲速剖面用于對應的測線文件加以改正。

圖2為區域聲速改正模型。圖2中P1，P2，P3，P4分別對應4條不同位置和時間采集的聲速剖面，其采集時間先后順序為P1→P2→P3→P4，豎向虛線位置為需要進行聲速剖面改正的多波束條帶數據。P1表示所應用的聲速剖面為時間戳在條帶時間之前且最接近條帶時間的剖面;P2表示所應用的聲速剖面為時間戳最接近條帶時間的剖面;P3表示所應用的聲速剖面為位置最接近且在所設時間窗中最接近條帶時間的剖面;P4表示所應用的聲速剖面為距離最靠近條帶位置的剖面。

2 實例驗證

2.1 船型文件創建

根據采集時所添加多波束驅動的不同，Reson PDS會形成兩套不同的數據內容，從而導致Caris Hips在對Reson PDS格式多波束數據進行解析時也會存在兩種不同的結果，其中的區別就在于所記錄的數據中是否包含了“7027”數據集，“7027”中記錄了原始的波束的雙程旅行時及波束角度等。通常所采用的ResonPDS數據均是紀錄了“7027”的，而對其處理也是最特殊的，下文均以此為基礎展開。

為了在Caris Hips軟件中對ResonPDS格式多波束數據進行聲速剖面改正，在創建船型文件時要采用雙探頭模式船型文件，這是因為針對包含“7027”數據集的Reson PDS數據，Caris會在進行聲速剖面改正時將發射換能器與接收換能器陣列作為兩個獨立單元來考慮，通過聲速剖面參數來計算每個波束的傳播路徑。

2.1.1 換能器參數設置

“Tansducer 1”和“Tansducer 2”中偏移量數據均不輸入，否則會出現二次改正的情況，如果有校準參數且未應用到采集中則輸入“Tansducer 1”中。“Transducer 2”中的“startbeamnumber”中要輸入大于多波束最大波束數量的數值，例如本例中所采用的TeledyneResonT50-P多波束采集時所用最大波束數量為512，“startbeamnumber”最小要輸入513，如果不確定波束數量，該值可以盡量設置大一些，例如2 000。換能器參數設置示例見圖3。

2.1.2 定位羅經傳感器參數設置

“Navigation”對應位置中輸入定位偏移量參數，“Gyro”使用默認設置（圖4）。

2.1.3 姿態傳感器參數設置

雖然在采集時多波束數據已經應用了實時姿態改正，但是在進行聲速剖面改正時需要考慮實時姿態數據對聲線路徑歸算的影響，所以需要選擇應用，船型文件的“Heave”“Pitch”“Roll”中“Apply”均選擇“Yes”應用。如果所選用的姿態傳感器有偏移量信息則需要在“Heave”中輸入。

2.1.4 聲速剖面傳感器參數設置

“SVP 1”與“SVP 2”分別代表發射換能器與接受換能器陣列，分別輸入對應的偏移量，校準參數值只輸入“SVP 1”中。聲速剖面傳感器參數設置示例見圖5。

2.1.5 水線參數設置

“Waterline Height”水線高中輸入水線相對于參考點的垂直距離，并且“Apply”中選擇應用（圖6）。

2.2 聲速剖面文件編輯

Caris Hips聲速剖面文件格式主要分為表頭和數據兩部分，其中表頭有3行數據，分別代表聲速剖面版本號，存儲路徑，聲速剖面日期時間、經緯度坐標。數據部分為兩列，第一列為深度信息，第二列為對應的聲速值。對于多聲速剖面文件，數據表頭與單聲速剖面文件一致，區別在于每增加一條新的聲速剖面，需要在數據前加一行日期時間與經緯度坐標信息，具體格式如圖7方框標注內容所示。

2.3 實例驗證

本文采用長江口海域Reson T50-P多波束實測部分數據，并使用Caris Hips 11.3版本軟件進行處理分析，利用原始數據，將常規船型設置下的聲速剖面改正成果數據與采用本文方法的聲速剖面改正成果數據進行對比。

驗證結果如圖8所示，相鄰測線重疊區域的單探頭聲速剖面改正數據出現了明顯的錯位現象，見圖8（a）中1，2號。為了提高多波束測深數據精度，本文通過創建雙探頭模式船型文件處理數據，然后根據Caris Hips聲速剖面文件格式編輯測深數據，實現了Caris Hips軟件與ResonPDS格式數據兼容。雙探頭聲速剖面改正后的相鄰測線重疊區域具有更高的擬合度，見圖8（b）中3，4號，測試結果優于傳統方法。

此外，為了定量評定所述改進方法性能，本文均勻地在實驗數據中提取了坡頂、坡底等地形特征點（圖8中白點）進行定量分析，分析結果見表1。從表1中可以看出，新方法特征點的起點距大多減小2～3 m，改進后的多波束測深數據的相對精度得到有效提高。

3 結論與建議

高精度的水下地形圖為河道整治、數字孿生、防洪抗汛和城市規劃等領域提供了準確的數據依據。本文針對Caris Hips軟件與ResonPDS格式數據不兼容問題，提出了一種基于Caris Hips軟件對ResonPDS格式數據聲速剖面改進改正方法，有效提高了多波束測深數據精度，得出結論如下。

（1） Caris Hips軟件在對Reson PDS格式多波束數據進行聲速改正時必須使用雙探頭模式的船型文件設置，并且對于各傳感器的參數設置都有嚴格的要求，此種方法處理的數據質量較好。

（2） 不同格式的多波束數據在Caris Hips中進行處理時雖然大致流程一致，但是在具體子步驟的處理上存在差異，為了準確獲取成果數據，需要用戶采用合適的方式方法。

（3） 對多波速數據進行聲速剖面改正是一種不可逆的過程，如果操作過程中存在錯誤，將無法得到準確的結果，需要重新加載原始數據進行處理，所以要明確具體的方式方法。

參考文獻：

[1] 劉雁春，肖付民，暴景陽，等.海道測量概論[M].北京：測繪出版社，2006.

[2] 陳紅霞，呂連港.三種常用聲速算法的比較[J].海洋科學進展，2005，23（3）：359-362.

[3] 趙建虎.多波束深度及圖像數據處理方法研究[D].武漢：武漢大學，2002.

[4] 袁建飛. 多波束測深系統水下地形測量聲速改正研究[J].測繪與空間地理信息，2019，42（12）：211-213.

[5] 朱小辰，劉雁春，肖付民，等.海道測量多波束聲速改正精確模型研究[J].海洋測繪，2011，31（1）：1-3，8.

[6] Universal System Ltd.CARIS Multibeam Data Processing[EB/OL]. （2022-02-09）http：//www.teledynecaris.com.

（編輯：江 文）