近海海底不規(guī)則堆積體體積高精度量算技術(shù)與應(yīng)用

徐國強(qiáng),杜 軍,田梓文,閆文文,崔愛菊

(國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島266061)

海底堆積體體積量算是航道疏浚等海洋工程成本核算的重要支撐技術(shù),其中人工傾倒導(dǎo)致的海底堆積體體積量算也是海洋執(zhí)法部門查處非法疏浚物傾倒案件的事實(shí)基礎(chǔ)和處罰依據(jù)。海底地形本身復(fù)雜多變,其上堆積體也是形態(tài)各異,尤其是人工傾倒物更具有不規(guī)則性,因此,海底堆積體體積的計(jì)算具有不易識(shí)別、形態(tài)復(fù)雜、探測難度大等特點(diǎn)。目前,海底堆積體方量的常用計(jì)算方法有斷面法[1]、DEM數(shù)字高程模型法[2]、方格網(wǎng)法[3]、區(qū)域土方量平衡法和平均高程法等。其中,斷面法中斷面線的布設(shè)距離太遠(yuǎn)會(huì)降低精度,距離太近則工作量增大。DEM法精度較高,但其實(shí)際精度受原始數(shù)據(jù)采集誤差和高程內(nèi)插誤差方面制約。方格網(wǎng)法精度較高,但適用性差,常應(yīng)用于場地較為平坦的體積計(jì)算。基于此,依托山東省日照海域相關(guān)探測項(xiàng)目,綜合應(yīng)用高精度多波束、參量陣極淺地層剖面儀和地理信息系統(tǒng)軟件,總結(jié)了一種計(jì)算海底堆積體體積的方法。該方法采用的多波束和淺地層探測技術(shù)已是海洋調(diào)查中廣泛應(yīng)用的技術(shù),在保障體積體計(jì)算精度的同時(shí)可大幅提高探測效率,因而降低了海洋執(zhí)法成本,在海洋工程科學(xué)用海和管理部門依法治海方面具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1 計(jì)算原理

海底堆積體的體積計(jì)算原理是利用水深測量獲取的現(xiàn)狀海底地形與淺地層測量獲取的原始海底地形的數(shù)據(jù),通過GIS的三維分析功能模塊計(jì)算獲得。

通過獲取的現(xiàn)狀海底地形(多波束測量)和原始海底地形數(shù)據(jù)(淺地層剖面測量)分別擬合海底堆積體頂界面模型A和底界面模型B,并分別確定頂、底界面模型中水深的最大值與最小值;然后,假定一個(gè)基準(zhǔn)面D,該平面水深需小于頂界面最小水深或大于底界面最大水深;最后,采用GIS方法分別計(jì)算平面D和界面A擬合成的不規(guī)則體體積VDA、平面D和界面B擬合成的不規(guī)則體體積VDB,堆積體體積V為二者之差(圖1):

式中:VDA為現(xiàn)狀體積;VDB為原體積。

圖1 堆積體體積計(jì)算示意圖Fig.1 A schematic diagram showing the volume calculation of submarine accumulations

2 海底堆積體外業(yè)量測

2.1 測量設(shè)計(jì)

堆積體頂面測量設(shè)計(jì)為多波束全覆蓋采集,底界面測量設(shè)計(jì)采用淺剖儀探測原始海底,比例尺為1∶5 000,中間采用GIS進(jìn)行線性內(nèi)插。本次測線布設(shè)原則為沿等深線走向布設(shè),并且綜合考慮測區(qū)的主流向,沿NE—SW向共布設(shè)56條,另垂直主測線布設(shè)了4條檢查線。由于多波束測量需要全覆蓋,并且至少有10%重疊,因此在測量過程中適當(dāng)?shù)貙y線進(jìn)行調(diào)整,本次多波束測量的實(shí)際水深為20～28 m,測量覆蓋寬度隨著水深變化。由于水深變化不大,本次外業(yè)數(shù)據(jù)采集的測線間距為75 m,測線布設(shè)圖見圖2。本研究使用的坐標(biāo)系為CGCS2000,中央經(jīng)線120°E,投影為高斯-克呂格投影。

圖2 研究區(qū)位置和測線布設(shè)示意圖Fig.2 Location of the study area and layout of the surveying lines

2.2 測量設(shè)備

堆積體頂面測量設(shè)備為美國R2SONIC公司產(chǎn)的SONIC2024條帶多波束測深系統(tǒng):工作頻率為200～700 k Hz,實(shí)時(shí)在線可調(diào),步長10 k Hz;左舷、右舷、下視探測波束角為0.5°,前、后探測波束角為1.0°;波束數(shù)目256個(gè);覆蓋寬度最大160°,10°～160°在線連續(xù)可調(diào);探測分辨率0.6 cm。

堆積體底面探測設(shè)備為德國INNOMAR公司產(chǎn)的SES-96參量陣測深/極淺剖儀:發(fā)射頻率為一次頻率100 k Hz,二次頻率4,5,6,8,10和12 k Hz;功率12 k W;測深深度為1～300 m;低頻波束角為±1.8°;采樣分辨率5 cm。

輔助設(shè)備為MRU姿態(tài)傳感器,消除波浪影響,動(dòng)態(tài)精度0.15°,涌浪精度5 cm。

2.3 外業(yè)測量

多波束測量之前,在研究區(qū)內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)參數(shù)有橫搖(ROLL)、縱搖(PITCH)、艏向(HEADING)。同時(shí)精確測定研究區(qū)內(nèi)的聲速剖面,對聲線的彎曲進(jìn)行聲學(xué)跟蹤,提高測量精度。在勘測中實(shí)施全方位的質(zhì)量監(jiān)測和控制:采用高精度DGPS導(dǎo)航定位系統(tǒng),以便使動(dòng)態(tài)定位精度在1.0 m以內(nèi)。測量中船只偏離設(shè)計(jì)測線不超過5 m。測線間距視水深和儀器的技術(shù)參數(shù)合理設(shè)計(jì),確保兩相鄰測線的測寬有10%～15%的覆蓋,在測線兩端至少延長500 m,如測線偏離超過設(shè)計(jì)要求,立即糾正,必要時(shí)予以補(bǔ)測;出航前、歸航后和在勘測期間進(jìn)行探頭的吃水深度測量,以便進(jìn)行吃水改正;在勘測中保證至少在1°×1°的范圍內(nèi)有一個(gè)聲速剖面,并且每間隔3 h測量一次聲速剖面。

調(diào)查淺地層資料前,按《海洋工程地形測量規(guī)范》[4]等相關(guān)規(guī)范和儀器操作規(guī)程要求,對聲學(xué)地層探測系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行技術(shù)實(shí)驗(yàn)及校正。根據(jù)測區(qū)水深、底質(zhì)條件,充分調(diào)試儀器,選擇最佳工作參數(shù)。作業(yè)期間,降低噪音和其他干擾因素,提高信噪比,保證記錄質(zhì)量;調(diào)節(jié)好記錄時(shí)間延遲,使同一測線的記錄量程一致。工作船速控制在3～5 kn。

3 海底堆積體體積計(jì)算

海底堆積體的體積計(jì)算需要本次水深測量獲取的海底地形與使用淺地層剖面儀獲取的原始海底地形的數(shù)據(jù),通過GIS的三維分析功能模塊計(jì)算獲得。

3.1 海底不規(guī)則堆積體表面形態(tài)分析

多波束主要用于水深全覆蓋測量[5-7],本文中用于獲取不規(guī)則堆積體的頂面形態(tài),理論上其探測精度可達(dá)0.6 cm。多波束數(shù)據(jù)處理采用CARIS HIPS 7.1,根據(jù)多波束獲取數(shù)據(jù)繪制的研究區(qū)域三維水深(圖3)。總體上看,研究區(qū)中部分布較多的堆積體,分布范圍約10 km2。堆積體一般高出周邊海底約1 m,堆積體形狀不規(guī)則,棱角明顯,長度一般為30～60 m。結(jié)合高分辨率淺地層資料分析,堆積體形狀及分布不符合自然條件形成規(guī)律,與周邊地形反差較大,南部的淺槽上方同樣分布有堆積體。

圖4和圖5為2處典型海底堆積體局部放大示意圖。由圖4可知,S16處位于測區(qū)的中北部,海底多孤立的小堆積體,堆積體形狀不規(guī)則。S16區(qū)域堆積體較周圍海底高約1 m左右,堆積覆蓋范圍約40 m×60 m,NE—WS走向,而堆積體周邊海底平坦。

由圖5可知,G08處位于測區(qū)的北部,該區(qū)為一孤立的小型堆積體,堆積體呈類似火山口的錐型,堆積中部較周圍深約0.8 m,整個(gè)堆積體直徑約28 m。堆積體周邊海底平坦,但比堆積體中部要淺約0.2 m。

由此可見,海底堆積體形態(tài)極不規(guī)則,高低起伏明顯。本文以海底堆積體集中區(qū),即圖3中黃色范圍為研究區(qū)域,經(jīng)過多波束數(shù)據(jù)處理,得到了海底不規(guī)則堆積體的表面形態(tài),記為曲面A。

圖3 研究區(qū)三維水深圖Fig.3 The 3-D bathymetric map of the study area

圖4 S16處海底地形示意圖Fig.4 Sketch map of seafloor topography at S16

圖5 G08處海底地形示意圖Fig.5 Sketch map of seafloor topography at G08

3.2 海底堆積體底邊界形態(tài)分析

淺剖儀主要用于探測海底以下地層結(jié)構(gòu)與構(gòu)造[8],本文中主要用于探測不規(guī)則堆積體的底部邊界,采樣分辨率理論上可達(dá)5 cm。

通過分析淺地層反射數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)在海底堆積物存在的區(qū)域,上覆地層以下可見一較強(qiáng)聲學(xué)反射界面(圖6),并且該界面在無堆積物的區(qū)域與海底面連續(xù)性較好,因此推測該界面為原始的海底面。該界面以下的1～2 m范圍內(nèi)的地層大致呈平行層理的地層結(jié)構(gòu),而界面以上的堆積體地形起伏較大,層間呈雜亂強(qiáng)反射,結(jié)合多波束與地貌資料基本可以判定現(xiàn)狀海底界面和原始海底界面之間為外來堆積物填充。與多波束調(diào)查結(jié)果一致性較好。

使用ISES后處理軟件將淺地層資料直接屏幕數(shù)字化。資料處理時(shí)根據(jù)聲學(xué)記錄圖像,將各相關(guān)定位點(diǎn)的水深和各聲學(xué)地層界面的埋藏深度值按規(guī)定比例尺進(jìn)行標(biāo)注,資料解譯時(shí)計(jì)算各特征位置的高度差。以原海底為基準(zhǔn),共提取出20 114個(gè)海底堆積物的位置(X1,X2,X3,…,X20114)和高差(H1,H2,H3,…,H20114)。根據(jù)前文多波束測深數(shù)據(jù),提取相應(yīng)位置高程(A1,A2,A3,…,A20114),減去對應(yīng)高差得到原始海底高程信息(B1,B2,B3,……B20114)。在20 114個(gè)淺地層剖面儀獲取的海底地形點(diǎn)基礎(chǔ)上,為了有效覆蓋整個(gè)堆積體分布范圍,在堆積體周邊平坦海底均勻選取10個(gè)點(diǎn)作為原海底點(diǎn)。最后使用ARCGIS將20 124個(gè)點(diǎn)構(gòu)建TIN模型,獲得原海底曲面B。

圖6 堆積物分布區(qū)淺地層典型圖像Fig.6 Typical profiles of shallow strata in the area where submarine accumulations are distributed

3.3 堆積體體積計(jì)算

堆積體體積計(jì)算采用ARCGIS的三維分析模塊[9]中的Surface volume功能。據(jù)3.1和3.2節(jié)計(jì)算結(jié)果分別計(jì)算平面D和界面A擬合成的不規(guī)則體VDA,以及D平面和B界面擬合成的不規(guī)則體體積VDB。

在研究區(qū)取水深26 m平面為基準(zhǔn)面D,計(jì)算體積為VDA=43.6×106m3和VDB=39.8×106m3。所用多波束測深系統(tǒng)的探測分辨率為0.6 cm,淺剖儀采樣分辨率理論上可達(dá)5 cm,設(shè)備探測精度可達(dá)厘米級;數(shù)據(jù)處理過程中多波束資料誤差保持和淺地層剖面深度的誤差保持在5 cm以內(nèi),本次多波束成圖網(wǎng)格采用0.5 m×0.5 m間隔,本次測量誤差為±1.2×105m3。依據(jù)式(1)得到堆積體體積為 (3.8±0.12)×106m3。

4 結(jié) 論

本文基于高精度多波束和參量陣極淺地層測量技術(shù),總結(jié)了一種高精度計(jì)算海底堆積體體積的方法。即提取海底堆積物表面多波束(地形)數(shù)據(jù)以及堆積體淺地層剖面(厚度)數(shù)據(jù),通過GIS疊加及三維分析,可獲得高精度海底堆積體體積數(shù)據(jù)。最后通過日照海洋調(diào)查工程數(shù)據(jù)的實(shí)際測量與計(jì)算,證明了方法的可行性和精確性,并得到結(jié)論:

1)在確定海底堆積體范圍時(shí),同時(shí)參考了海底底質(zhì)沉積物樣品分析的成果,證明原狀海底與堆積體海底在現(xiàn)場物理特征、粒度特征、元素特征和碎屑礦物特征等指標(biāo)方面存在差異,分析結(jié)果與多波束和淺地層探測成果相吻合。

2)基于目前海洋工程調(diào)查中經(jīng)常采用的多波束測深技術(shù)、淺地層剖面探測技術(shù)以及GIS疊加后處理方法,總結(jié)了高精度量算海底堆積體積的方法,其原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)且精度高。

3)該技術(shù)可應(yīng)用于航道疏浚、海域使用等工程量算,為相關(guān)海洋工程施工單位成本核算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及為海洋執(zhí)法提供相關(guān)依據(jù);而且,聲學(xué)地層探測技術(shù)也可對海底下地層中發(fā)育的特殊充填的自然沉積體(埋藏古河道、古三角洲、透鏡體等)進(jìn)行識(shí)別并量算其相關(guān)參數(shù),為海洋古環(huán)境研究提供一種高效、高精度的技術(shù)手段。

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