應(yīng)用多波束測(cè)深系統(tǒng)的海洋測(cè)繪研究

溫志堅(jiān)

摘 要：該文基于筆者從事海洋測(cè)繪的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以多波束測(cè)深系統(tǒng)在海洋航道測(cè)量應(yīng)用為研究對(duì)象，論文首先探討了多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成，進(jìn)而以多波束測(cè)深系統(tǒng)用于航道管理為任務(wù)背景，詳細(xì)研究分析了多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量應(yīng)用流程和監(jiān)測(cè)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：多波束 測(cè)深 海洋 航道 監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：P229 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（b）-0070-02

1 多波束水下測(cè)深系統(tǒng)

1.1 多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成

多波束測(cè)深技術(shù)是現(xiàn)代水下探測(cè)領(lǐng)域的新興技術(shù)，它集成了現(xiàn)代空間測(cè)控技術(shù)、聲吶技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)等一系列高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下探測(cè)目標(biāo)的高精度和高密度測(cè)量。本文用到的SeaBat 7125是目前世界上最先進(jìn)、精度最高的多波束測(cè)深系統(tǒng)之一，它主要由OCTANS光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器、聲速剖面儀、側(cè)掃圖像處理系統(tǒng)、多波束數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)（CARISHIPS后處理軟件）、QTCMultiview底質(zhì)分類(lèi)系統(tǒng)等共同組成。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）SeaBat 7125以帶狀方式進(jìn)行測(cè)量，波束連續(xù)發(fā)射和接收，測(cè)量覆蓋程度高，對(duì)水下地形可100%覆蓋，與單波束比較，波束角窄，能夠完全反映出細(xì)微地形的變化。單波束是點(diǎn)、線(xiàn)的反映，而多波束則是面上的整體反映，多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量成果更真實(shí)可靠，由于是全覆蓋，其大量的水深點(diǎn)數(shù)據(jù)使等值線(xiàn)生成真實(shí)可靠；而單波束是將斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行摘錄成圖以插補(bǔ)方式生成等值線(xiàn)，在數(shù)據(jù)采集不夠時(shí)，等值線(xiàn)會(huì)存在一定偏差。

（2）發(fā)射換能器向水底投射出128°寬的覆蓋扇區(qū)，接收器同時(shí)形成256個(gè)動(dòng)態(tài)聚焦波束，測(cè)深分辨率為5 mm，波束后向散射強(qiáng)度圖像和檢測(cè)到的距河床底距離實(shí)時(shí)顯示在聲吶監(jiān)視器上，且便于快速質(zhì)量檢查。

（3）眾所周知，測(cè)量船只的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)水下測(cè)量的數(shù)據(jù)影響很大，多波束測(cè)深系統(tǒng)在測(cè)量前和測(cè)量時(shí)，光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集船行姿態(tài)數(shù)據(jù)，PD2000采集軟件同步記錄船姿態(tài)信息，并對(duì)船行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，進(jìn)而保證后處理中的水深測(cè)量數(shù)據(jù)能夠真實(shí)有效地反映出水底情況，而單波束在這方面無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

（4）CARISHIPS后處理軟件功能強(qiáng)大，可以根據(jù)需要抽取不同比例尺的數(shù)據(jù)成圖，生成的圖件類(lèi)型有測(cè)深數(shù)據(jù)圖、水深等值線(xiàn)圖、三維數(shù)字地形模型（DTM）圖、彩色水深圖、彩色地形陰影圖以及質(zhì)量控制報(bào)告等。

2 多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用于采砂管理量化監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)的水下監(jiān)測(cè)方法大多是采用單波束測(cè)深系統(tǒng)完成的，它是一種線(xiàn)狀反映水下地形的手段，工作量大且精度有限，難以勝任大比例尺和特殊要求的水下地形測(cè)量任務(wù)，而多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量快捷、高分辨率、高精度、全覆蓋等特點(diǎn)，可以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視水下地形地貌的細(xì)微變化，非常適合水下工程及河道的監(jiān)測(cè)任務(wù)，在此背景下，采用多波速測(cè)深系統(tǒng)對(duì)區(qū)域河道進(jìn)行數(shù)字化、信息化監(jiān)控管理就顯得尤為重要。

在數(shù)據(jù)處理方面，傳統(tǒng)的處理方法是通過(guò)構(gòu)建Delauny三角網(wǎng)或Grid規(guī)則格網(wǎng)來(lái)形成水下的DTM，再通過(guò)分塊處理、四叉樹(shù)索引來(lái)達(dá)到水下地形多尺度LOD顯示的效果，但是針對(duì)區(qū)域河段采砂行為的量化監(jiān)測(cè)而言，其核心思想并不是可視化，而是周期性地監(jiān)測(cè)河段砂量開(kāi)采的變化情況，同時(shí)考慮到水下地形數(shù)據(jù)具有多樣性、海量性、復(fù)雜性等特點(diǎn)以及提高計(jì)算效率減少計(jì)算機(jī)功耗等目的，該文采用對(duì)離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合而非構(gòu)建DTM的方法來(lái)處理不同時(shí)間采集的多波束水下地形數(shù)據(jù)，能夠保證有足夠的水深值來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)插值，保證結(jié)果的正確性且不失真。在此基礎(chǔ)上，對(duì)擬合曲面進(jìn)行求差計(jì)算，從而得出階段時(shí)間內(nèi)河道砂石資源的變化量，輔助管理者對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用砂石資源進(jìn)行決策，數(shù)據(jù)分析處理流程如圖1所示。

采集得到的這些多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)屬于大規(guī)模離散數(shù)據(jù)的一種，在這些海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)當(dāng)中，偶有臨近點(diǎn)間的高程突變（局部不連續(xù)），但根據(jù)水下地形的特點(diǎn)分析，這些水下高程點(diǎn)的突變一般不是由水下地形的陡然起伏所造成，更可能的是測(cè)量時(shí)產(chǎn)生噪聲點(diǎn)或無(wú)效數(shù)據(jù)點(diǎn)，需要通過(guò)濾波處理去掉無(wú)效點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)濾波后的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲面重建一直以來(lái)是函數(shù)逼近論的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)的發(fā)展，離散數(shù)據(jù)的曲面重建技術(shù)得到了廣泛研究和應(yīng)用，離散數(shù)據(jù)擬合或插值是用一個(gè)光滑的曲面或通過(guò)一系列無(wú)規(guī)則的抽樣數(shù)據(jù)來(lái)逼近。

在盡量減少計(jì)算機(jī)損耗和提高計(jì)算效率的前提下，海量離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲面擬合可以歸結(jié)如下：給定有限點(diǎn)集（xi，yi），（i=1，…，n），以及相應(yīng)的值z(mì)i=f（xi，yi）∈R，Ω∈R2是平面的一個(gè)界限域，要構(gòu)造一個(gè)曲面S：Ω→R，該曲面S應(yīng)當(dāng)盡可能地符合以下目標(biāo)。

（1）S應(yīng)當(dāng)逼近數(shù)據(jù)，例如，S（xi，yi）≈zi。

（2）S應(yīng)當(dāng)具有較好的可視效果，并且要有利于以后進(jìn)一步的處理。

（3）對(duì)S的計(jì)算和評(píng)估應(yīng)當(dāng)快速且有效。

（4）對(duì)S的計(jì)算在數(shù)值上應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定的，例如：采用的方法對(duì)于任何數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布均是適用的。

（5）應(yīng)當(dāng)考慮到數(shù)據(jù)的局部變動(dòng)和分布。

（6）采用的方法應(yīng)當(dāng)易于實(shí)現(xiàn)。

在滿(mǎn)足以上6個(gè)宗旨的前提下，該文采用加權(quán)移動(dòng)平均算法（Weighted Moving Average）對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。加權(quán)移動(dòng)平均算法用于將離散型分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的數(shù)值，同時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值加密或抽取處理，目的是用地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示地形表面的連續(xù)函數(shù)。

該方法十分靈活，精度較高，計(jì)算簡(jiǎn)單，不需要很大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存。算法選取離散分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，一般考慮兩個(gè)因素：（1）范圍，即采用多大面積范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)計(jì)算被插點(diǎn)的數(shù)值；（2）點(diǎn)數(shù)，即選取多少點(diǎn)參加計(jì)算被插補(bǔ)的點(diǎn)。這兩個(gè)因素的實(shí)際應(yīng)用要根據(jù)具體情況而定，范圍的大小是以某個(gè)被插值點(diǎn)為圓心，以R為半徑來(lái)確定的，其半徑?jīng)Q定與原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的疏密程度和原始數(shù)據(jù)點(diǎn)可能影響的范圍，由于原始數(shù)據(jù)點(diǎn)分布不均勻，為了保證求解二次曲面方程，要有足夠數(shù)量的點(diǎn)，但又不能太多，因此，圓半徑不是固定的，對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的圓半徑的決定，可以采用逐步變動(dòng)的做法。

將研究河段內(nèi)水下地形表面上一系列離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成規(guī)則網(wǎng)格分布的連續(xù)函數(shù)，采用規(guī)則圓方法，拾取規(guī)格化節(jié)點(diǎn)臨域范圍內(nèi)掃測(cè)值進(jìn)行擬合計(jì)算，對(duì)于每一個(gè)新點(diǎn)選取其鄰近的n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，把新點(diǎn)作為平面坐標(biāo)的原點(diǎn)，然后用一個(gè)多項(xiàng)式曲面擬合，多項(xiàng)式中的各參數(shù)由n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)求得。

3 航道管理量化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用工程實(shí)例

按照此技術(shù)路線(xiàn)于2015年4月25日和2016年4月27日兩次分別對(duì)進(jìn)行了分階段的測(cè)量，前次測(cè)量時(shí)水面高程為24.247 m；后次測(cè)量時(shí)水面高程為21.978 m，其水下地形示意圖如圖2所示。兩次測(cè)量的目的，就是為了得到階段時(shí)間內(nèi)區(qū)域河道內(nèi)砂石資源量的動(dòng)態(tài)變形情況。

按照上述方法分別擬合插值兩次測(cè)量得到的多波束數(shù)據(jù)，并采取俯視的角度進(jìn)行比較。截取圖3中灰色豎條區(qū)域的斷面進(jìn)行分析，如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

多波束測(cè)深系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于堤防、水庫(kù)、湖泊及海洋等水域的水下地形測(cè)量，進(jìn)行水下工程及其水工建筑物的安全檢測(cè)（如拋石護(hù)岸等）；河道疏浚及港口、碼頭、橋梁的工程測(cè)量；水下管線(xiàn)、電纜等的監(jiān)測(cè)；沉船、水下物體的打撈搜尋等。這套系統(tǒng)的測(cè)量效益、實(shí)用性和廣闊的應(yīng)用前景將進(jìn)一步顯現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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