多波束測量測線布設優(yōu)化方法研究

成 芳，胡迺成

（中國人民解放軍91439部隊，遼寧　大連　116041）

多波束測量測線布設優(yōu)化方法研究

成 芳，胡迺成

（中國人民解放軍91439部隊，遼寧大連116041）

隨著多波束測深技術(shù)的廣泛應用以及人們對高精度海底地形測量的迫切需求，海洋測深已由離散、低精度、低效率向全覆蓋、高精度、高效率的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的技術(shù)設計已不能滿足對海底精細描述的要求。而測線布設作為海區(qū)技術(shù)設計的一個重要環(huán)節(jié)，其設計方法仍相對滯后?；谶@一現(xiàn)狀，在深入分析測線布設對測量成果的影響機制基礎(chǔ)上，提出了一種全新的多波束測線布設優(yōu)化方法，并詳細給出流程圖。整體研究結(jié)果表明：該優(yōu)化方法是合理可行的，體現(xiàn)了逐步優(yōu)化設計的思想，更符合實際測量需求。

多波束測量；全覆蓋測量；技術(shù)設計；地形分辨率；測線間距

《國際海道測量標準》中明確規(guī)定，基于多波束的特等和1 a等測量，首先必須保證全覆蓋測量［1-3］。在此基礎(chǔ)上，采樣點密度越大，海底地形分辨率越高，對海底地形的描繪越精細，越能完善地顯示海底地形。因此，海底地形描繪的精細程度取決于采樣點個數(shù)，而采樣點個數(shù)主要通過測線間距的調(diào)整來控制，測線間距選擇過窄，雖然保證了海底地形分辨率的要求，但會增加工作量、降低測量效率；測線間距選擇過寬，又極大地降低了海底地形分辨率，無法保證測量成果質(zhì)量。因此，測線布設作為多波束測量海區(qū)技術(shù)設計的核心內(nèi)容，在兼顧整個測區(qū)的測量成果質(zhì)量和測量效率等方面起著極其重要甚至決定性作用。為此，本文在深入分析測線布設方式對測量成果質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上，提出一種全新的多波束測線布設優(yōu)化方法，此方法體現(xiàn)了逐步優(yōu)化的思想，最終確保在該測線布設方式下，不僅保證全覆蓋測量，還可得到滿足預定地形分辨率要求的水深數(shù)據(jù)，并且保持較高的測量效率。

1　測線布設對多波束測量的影響

測線布設包括測線方向和測線間距選擇兩個方面的問題［4］。對于測線方向，通常為使掃測寬度盡可能保持不變，測線方向盡量與等深線方向保持一致。而本文重點探討測線布設間距對多波束測量的影響。

1.1測線布設對全覆蓋測量的影響分析

1.1.1波束腳印覆蓋區(qū)域模型的建立波束腳印是發(fā)射波束與接收波束在海底的交叉重疊區(qū)域［5］。這里從技術(shù)設計的概略表示出發(fā)，認為單個波束腳印的形狀為矩形即能較好地反映實際情況。

圖1　平坦海底探測腳印示意圖

圖2　波束腳印縱橫向?qū)挾鹊那蠼?/p>

如圖1～圖2，假設測船在平穩(wěn)狀態(tài)施測（忽略各種效應對測深的影響），P為多波束換能器，令波束沿測船正橫方向的波束寬度為θy，沿測線方向的波束寬度為θx，第i個波束的入射角為θi，Li為第i個波束對應的斜距，Hi為第i個波束測量得到的水深值，n是波束總數(shù)。Ai，Bi，Ci，Di分別為第i個波束腳印的4個頂點。

當波束數(shù)n為奇數(shù)時，多波束換能器左右發(fā)射的波束數(shù)相等且按左右波束沿中央波束對稱。此時，坐標原點為中央波束的中心點。對于第i個波束腳印4個頂點，坐標表達式如式（1）所示：

當波束數(shù)n為偶數(shù)時，多波束換能器左右發(fā)射的波束數(shù)相等且按換能器垂線方向?qū)ΨQ。此時，yKi

式（1）中，y坐標取值，右舷波束取正，左舷波束取負。并且，左舷取負、右舷取正。

波束腳印的邊長分別為：

第i個波束腳印的面積為：

1.1.2測線布設對全覆蓋測量的影響分析為直觀說明測線布設間距對全覆蓋測量的影響，以Seabat 8101多波束測深儀為例［6］，利用上節(jié)建立的波束腳印覆蓋區(qū)域模型仿真不同測線間距的波束覆蓋情況，為便于顯示，圖中截取相鄰兩測線間的波束覆蓋區(qū)域進行顯示。

實驗中，測船在平穩(wěn)狀態(tài)下施測（不考慮其它測深效應的影響），船速6 kn，設計水深10 m，波束采樣率設為10 Hz。SeaBat 8101多波束測深儀的波束寬度為1.5°×1.5°，扇面開角150°，101個波束。

圖3　不同測線間距時的波束腳印覆蓋區(qū)域圖

從圖3中看出：以換能器扇區(qū)寬度為測線間距，實現(xiàn)了條帶與條帶間的全覆蓋（如圖3（a））。若增大測線間距，兩條帶間出現(xiàn)空白區(qū)（如圖3（b））；若減小測線間距，將造成測船正橫方向條帶與條帶間有重疊部分（如圖3（c））。實際測量時，不同測量要求對重疊度的要求也不相同［7-8］，應根據(jù)不同要求適度增加或減小測線間距。若重疊度過大，勢必影響測量效率；如果測線間距過大，將產(chǎn)生測量遺漏，無法實現(xiàn)橫向的全覆蓋測量，更無法保證系統(tǒng)探測能力，從而必將影響海底地形的測量結(jié)果。因此，只有選擇適當?shù)臏y線間距，才能在兼顧橫向全覆蓋探測的同時，有效提高測量效率。

1.2測線布設對海底地形分辨率的影響分析

為了進一步研究測線布設優(yōu)化方法，本文進行了仿真計算。首先采用Matlab語言構(gòu)建復雜變化海底（如圖4），利用Seabat 8101多波束測深儀（不考慮等距發(fā)射）沿測線方向?qū)５走M行仿真采樣（忽略各種測深效應對測深的影響），詳細分析測線布設對測量結(jié)果的影響。

采用的具體分析方法是：直接將先驗海圖進行格網(wǎng)化（本文內(nèi)插得到2 m×2 m格網(wǎng)點），模擬水深測量沿Y軸仿真采樣，統(tǒng)計分析半ping波束覆蓋區(qū)域內(nèi)平行于測線方向的每一列格網(wǎng)所獲得的采樣點均值，并繪制相應的關(guān)系圖（如圖5）。調(diào)整測線布設間距，通過考察半ping波束覆蓋區(qū)域內(nèi)不同列格網(wǎng)內(nèi)橫向采樣點均值的變化情況，來分析測線布設間距對格網(wǎng)橫向采樣點密度的影響。實驗中，設計船速8 kn，設計水深30 m。

圖4　復雜變化海底示意圖

圖5　沿Y軸測量各列網(wǎng)格采樣點均值

圖6　不同測線間距各列網(wǎng)格采樣點均值變化趨勢圖

表1　沿Y軸施測，半ping波束覆蓋區(qū)域內(nèi)不同測線間距的采樣點個數(shù)一覽表

從圖5中可直觀看出，第1列格網(wǎng)（距中央聲線0～2 m范圍內(nèi)）的采樣點均值最大。從第2列格網(wǎng)（距中央聲線2～4 m）開始，采樣點均值逐漸變小，到第18列格網(wǎng)（距中央聲線34～36 m）的采樣點均值為1，從第19列開始平均獲得不到1個采樣點。這說明若不考慮多波束換能器等距發(fā)射，越遠離中央波束，獲得的采樣點越少，對海底表面的描繪越不精細。

為方便比較，考察不同測線間距時第2列至第25列采樣點均值的變化情況（見表1）。對比表1和圖6可以得出，同一列格網(wǎng)，越靠近中央波束，采樣點個數(shù)的變化越緩慢，這是由于單ping內(nèi)各波束點的距離由多波束系統(tǒng)自身指標及水深決定，與測線布設間距無關(guān)。而越靠近邊緣波束的格網(wǎng)，采樣點個數(shù)隨測線間距的變化變得明顯，換句話說，越靠近邊緣波束的格網(wǎng)，隨著測線間距的減小，其內(nèi)的采樣點個數(shù)逐漸增大。以第25列（距中央聲線48～50 m）為例，當測線間距由150 m減少至50 m時，平均采樣點個數(shù)由0個增至4個。

綜合上述仿真實驗得出，單ping內(nèi)，不同波束施測得到的采樣點個數(shù)存在較大差異，越靠近中央波束，獲得的采樣點越多，地形描繪得越精細；對于邊緣波束，其內(nèi)的采樣點個數(shù)受測線布設間距的影響較大，其隨著測線增大而逐漸較少。這也充分表明了測線間距是影響海底地形橫向分辨率的重要因素。

2　多波束測量測線布設優(yōu)化方法

通過上一節(jié)的分析結(jié)果和認識，進一步對如何進行測線的合理布設進行研究。首先給出測線布設的基本原理和方法，最后總結(jié)歸納給出多波束測量測線布設的步驟。

2.1多波束測量測線布設的基本原理

多波束測線布設的基本原則是將先驗海底地形格網(wǎng)化，通過控制每個格網(wǎng)的分辨率，來使得格網(wǎng)分辨率與測線間距相匹配，最終滿足海底地形分辨率的要求。

由于海底地形分辨率，根本上取決于海底地形的區(qū)域變化特征，因此，本文提出如下測線布設的基本原理：根據(jù)測區(qū)的實際水深分布和多波束系統(tǒng)自身覆蓋倍數(shù)情況合理選擇多波束測深系統(tǒng)后，通過設計調(diào)整測線布設間距，在保證全覆蓋測量的基礎(chǔ)上，控制采樣點密度，最終保證測量成果滿足預定的海底地形分辨率要求。

具體實施時，還應考慮到施測的方便性和測量效率等因素的影響，來綜合確定最佳的測線布設方案。

2.2多波束測量測線布設方法

具體地說，可按圖7的流程圖來確定滿足預定海底地形分辨率要求的測線間距。

特別需要指出的是，本文提出這種全新的測線布設的方法，是想體現(xiàn)出“實踐－認識－再實踐－再認識”的哲學思想，也體現(xiàn)了理論來源于實踐，并用于指導進一步的實踐。即應充分了解先驗的海水深信息，然后提出較為合理的初測方案，再根據(jù)初測得到的最新水深信息，進一步對測線布設方法進行優(yōu)化，最終確保在該測線布設方式下，得到滿足地形分辨率要求的水深數(shù)據(jù)，并且保持最高的測量效率。

本文提出的測線布設方法還體現(xiàn)了逐步優(yōu)化的設計思想，當然也增加了測線布設技術(shù)設計的復雜性和難度。不過現(xiàn)代計算機技術(shù)為此提供了良好的解決環(huán)境。事實上，本文在研究過程中已編制了專用的多波束測量測線布設的技術(shù)設計軟件，該軟件可提供作業(yè)單位使用，同時該軟件系統(tǒng)也直接提高了水深測量的信息化、自動化程度。

圖7　基于海底地形分辨率的多波束測深測線間距優(yōu)化選取方法流程圖

3　結(jié)語

針對如何合理確定測線布設方式使其可同時兼顧測量效率與測量質(zhì)量這一問題，本文提出了全新的多波束測線布設優(yōu)化方法。研究過程采用了系統(tǒng)的、優(yōu)化的理念，可有效平衡測線間距和采樣點的關(guān)系，在充分考慮海底地形分辨率要求的基礎(chǔ)上，對測線布設間距進行逐步優(yōu)化。整體研究結(jié)果：該方法是合理可行的，為高質(zhì)高效地完成水深測量任務提供了有力的技術(shù)支持。

［1］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB12327-1998.海道測量規(guī)范［S］.北京:中國標準出版社，1999.

［2］IHO.IHOStandards for Hydrographic Surveys，S-44，5th Edition［S］.Monaco:International Hydrographic Bureau，2008.

［3］劉雁春.海洋測深空間結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)處理［M］.北京:測繪出版社，2002.

［4］夏偉，劉雁春，邊剛，等.基于海底地貌表示法確定主測深線間隔和測圖比例尺［J］.測繪通報，2004（3）:24-27.

［5］李家彪，王小波，華祖根，等.多波束勘查原理技術(shù)與方法［M］.北京:海洋出版社，1999.

［6］SeaBat8101 MultibeamEchosounder SystemOPERATOR'SMANUALVersion 2.02［EB/OL］.http://www.reson.com，Reson，2003.

［7］劉雁春，肖付民，暴景陽.面向21世紀的海洋測深（改正）新技術(shù)［J］.地球科學進展，1996（3）:17-22.

［8］Barbara A Bond.Strategic Considerations for International Hydrography in the 21st Century［J］.International Hydrographic Review，1996，LXXIII（2）:5-7.

Research on the Optimization Method for Survey Line Layout in Multi Beam Survey

CHENG Fang，HU Nai-cheng
Troop 91439，The People's Liberation Army of China，Dalian 116041，Liaoning Province，China

With wide application of multibeam echosounder systems and urgent need for high-precision bathymetric survey，traditional technical design is no longer able to meet the demand of accurate seafloor topographic survey.The development trends of marine bathymetry are featured by full coverage，high accuracy and high efficiency.As an important link in technical design，the survey line layout technique has not been fully developed in China.On the basis of analyzing the effect mechanism of survey line layout on surveying results，a newly optimized method of multibeam survey line layout is presented，with a detailed flow diagram given in this paper.The results from the overall research indicate the feasibility of this optimizing method，which embodies the gradual design idea，well suited to practical surveying requirements.

multibeam survey；full-coverage survey；technical design；bathymetric resolution；survey line interval

P229.1

A

1003-2029（2016）02-0087-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.016

2015-04-04

國家自然科學基金資助項目（41374108，41476087）

成芳（1981-），女，博士，工程師，主要從事海洋環(huán)境測量和系統(tǒng)總體研究。E-mail：chengfangtl@163.com