基于遺傳算法的多波束測深系統測線布設優化設計

摘要：多波束測深系統作為現代海洋探測的重要工具，廣泛應用于海洋資源勘探、環境保護和海底工程建設等領域。由于海底地形復雜，傳統測線布設常面臨數據冗余高、漏測率大等挑戰，影響測深效率和數據質量。文章通過構建幾何模型，結合遺傳算法對測線布設方案進行優化，提出了一種綜合最小化測線總長度、降低重疊率和減少漏測的航線規劃方法。遺傳算法通過模擬自然選擇和基因變異，逐步優化航線布設，實現了低漏測率、最短航線和低重疊率的多目標優化。實驗結果表明，該優化方案顯著提高了測深覆蓋率和數據采集精度，有效減少了航線冗余，提升了系統在復雜海域的探測能力和穩定性。該研究為海洋測繪和大規模海底地形勘探提供了有力支持，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：多波束測深系統；測線布設；幾何模型；遺傳算法；航線優化

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）15-0043-03

0引言

多波束測深技術是現代海洋探測領域的重要手段，能夠通過發射多個聲波束高效覆蓋海底區域，獲取精準的水深數據。這項技術在海洋資源勘探、環境保護和海底工程建設等領域發揮著關鍵作用，特別是在復雜地形的勘測中，其優勢尤為顯著。

然而，現有優化方法在一定程度上忽視了測區地形復雜性的影響，且在航線設計過程中存在航線不連續性和數據冗余等局限性，限制了其在復雜地形中的應用效果。因此，如何在保證測量精度的同時，提高測線布設方案的效率和連貫性，成為當前研究的關鍵問題。

針對上述問題，本文提出了一種新的航線布設優化方案。綜合考慮測區地形特征、測深系統性能和作業環境等因素，構建了基于幾何模型的優化框架，并結合遺傳算法對測線布設方案進行求解。該方案有助于提升測量精度和數據質量，優化復雜海底地形下的航線布局，為高效、精準的海底地形勘探提供可靠保障。

1多波束測深概述

多波束測深系統（MultibeamEchoSounder，MBES），也稱多波束測深儀或條帶聲吶，是一種高集成度、復雜的系統。它融合了現代信號處理、高性能計算、高分辨率顯示、精確導航定位和數字化傳感器等先進技術，廣泛應用于海底地形測量。

該系統具備高效、全面的測量能力，能夠以較低成本和較短時間獲取大面積區域的詳細水深數據。此外，它還利用三維成像技術實時展示海底地形特征，增強了海洋調查與工程建設的可視化效果。多波束測深系統廣泛應用于海洋勘探、港口建設、海底電纜鋪設、漁業資源調查和環境監測等領域，為相關研究提供了重要的數據支持。

為保證測量數據的完整性和作業效率，多波束測深系統通常要求測線之間的重疊率控制在10%至20%之間。然而，由于海底地形的復雜多變，測線間距的設置面臨諸多挑戰。過大的測線間距可能導致淺水或復雜地形區域漏測，影響數據的準確性和完整性；過小的測線間距則會產生大量冗余數據，增加后期數據處理的復雜度，降低作業效率。因此，如何優化測線間距和航線布設，實現精度與效率的平衡，是多波束測深技術研究的核心問題之一。

2模型建立

為實現低漏測率、最短航線和盡可能低的重疊率，本文采用幾何建模和遺傳算法對航線規劃進行優化設計。通過幾何建模，準確描述海域地形的空間特征和測深區域的覆蓋要求，為航線設計提供理論依據。

使用MATLAB模擬出待測海域的地形圖和等深線，對海域數據進行圖像繪制，得到如圖1所示的地形視圖和圖2所示的鳥瞰圖。

如圖5展示優化后的測線空間分布情況。圖6展示航線布設對地形的覆蓋效果，絕大多數區域得到有效覆蓋，重疊區域適當。優化結果表明，漏測率降至0.2%，測線總長度為104365.4米，重疊率超過20%的測線長度為7491.5米。結果顯示，遺傳算法有效降低了漏測率和重疊率，優化了航線總長度，提高了測量效率和精度。

4結束語

本文通過構建幾何模型，結合遺傳算法對多波束測深系統的測線布設方案進行了優化設計。以最小化航線總長度、降低漏測率和重疊率為目標，優化了測線的間距和角度，降低了數據采集中的漏測和冗余。實驗結果驗證了該方案的可行性和有效性，在提升測量精度和效率方面具有顯著優勢。該研究為海洋勘探和測繪工作提供了一種實用的方法，對大面積海底地形勘測具有重要參考價值，有助于推進海洋科學和工程領域的發展。未來工作中，可考慮引入更多地形特征和環境因素，進一步完善航線優化模型。

參考文獻：

[1]郭楓，徐滋霖，朱晨，等.多波束測深合理探測方案的設計及效果分析[J].數學建模及其應用，2024，13（1）：102-109.

[2]王楠，俞治丞，王景賢.基于動態規劃的多波束測線布設模型[J].南通職業大學學報，2023，37（4）：64-69，97.

[3]張從奎，蔣方強，陳宏乾.多波束測深系統在內河航道測量中的運用[J].中國水運，2014（4）：40-42.

[4]夏偉，劉雁春，肖付民，等.測線布設方向的不同對海底顯示的影響[J].海洋測繪，2004，24（3）：28-31.

[5]黃智惠.測量船航跡控制系統設計與實現[D].天津：天津大學，2019.

【通聯編輯：梁書】