多波束測(cè)深技術(shù)優(yōu)勢(shì)與海洋測(cè)繪新思路

崔鑫 郝紀(jì)

摘 要：隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，測(cè)量技術(shù)也在不斷提升進(jìn)步，日益現(xiàn)代化。多波束具有較高的分辨率和全覆蓋、高效率等優(yōu)勢(shì)，使其在航道維護(hù)、工程施工、水下目標(biāo)探測(cè)等方面中得以廣泛應(yīng)用。本文論述了多波束測(cè)深技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，分析其在海圖測(cè)繪工序及水運(yùn)工程測(cè)量方面所產(chǎn)生的影響，探析了海洋測(cè)繪新思路。

關(guān)鍵詞：海洋測(cè)繪;多波束測(cè)深;測(cè)繪技術(shù)

0 引言

由于海洋有其流速多變、水位影響因素較多、海底地形復(fù)雜、各種情況相互交叉影響等特點(diǎn)，使得海洋測(cè)繪面臨較為復(fù)雜的情況?，F(xiàn)今，多波束系統(tǒng)在海洋測(cè)繪中得以廣泛應(yīng)用，并在海洋緊急情況應(yīng)急措施實(shí)施中發(fā)揮重要作用。

1 多波束測(cè)深系統(tǒng)技術(shù)原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)海底地形的照射腳印，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，一次探測(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的海底被測(cè)點(diǎn)的水深值，從而能夠精確、快速地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。

2 基于多波束測(cè)深技術(shù)的海洋測(cè)繪新思路

2.1 海圖測(cè)繪工序改進(jìn)的探索

海洋測(cè)繪的一個(gè)重要任務(wù)是海圖的測(cè)繪。海圖測(cè)繪的工序是在模擬測(cè)圖階段建立起來(lái)的，在今天數(shù)字測(cè)圖時(shí)代也沒有大的改變，其工序?yàn)椋嚎刂?、水深、地形等的測(cè)深到海圖的編輯、加工和出版。這一工序已跟不上時(shí)代的步伐：一是更新周期較長(zhǎng)（繁忙港口4年，一般海區(qū)為8年），滯后于港口航道的建設(shè)速度，數(shù)據(jù)發(fā)布更新不及時(shí)，給通航保障帶來(lái)不利影響;二是目前的海圖測(cè)繪主要為單波束，測(cè)深為中小比例：港內(nèi)1：5000，近海1：15000，外海1：40000，難以滿足工程需要。多波束測(cè)深的條帶覆蓋寬度可達(dá)4倍以上水深，其作業(yè)效率很高，且實(shí)現(xiàn)全覆蓋測(cè)量，數(shù)據(jù)的價(jià)值是單波束無(wú)法比擬的。因此，采用多波束進(jìn)行海圖測(cè)繪是可行的。結(jié)合多波束的技術(shù)特點(diǎn)，給出海圖測(cè)繪的新思路：（1）多波束全覆蓋測(cè)深，獲取海底精細(xì)地形，在此基礎(chǔ)上制作測(cè)區(qū)的DTM，以此建立海圖數(shù)據(jù)庫(kù);（2）用圖層管理礙航障礙物和淺區(qū);（3）與海事及各當(dāng)?shù)馗劭诠芾聿块T信息共享，及時(shí)獲取重要地形變化點(diǎn)，建立修測(cè)機(jī)制，及時(shí)更新障礙物及淺區(qū)圖層;（4）建立基于海圖數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)業(yè)出版體系，提高內(nèi)業(yè)效率，豐富海圖產(chǎn)品的種類，更好地服務(wù)社會(huì)。

2.2 對(duì)水運(yùn)工程測(cè)量的影響

2.2.1 疏浚工程建設(shè)方面

多波束測(cè)深的普及應(yīng)用在水運(yùn)工程測(cè)量產(chǎn)生了重大影響。例如，在航道疏浚工程項(xiàng)目中，經(jīng)典的建設(shè)方案為：初設(shè)階段采用1：5000比例單波束測(cè)圖，施工圖階段采用1：1000或1：2000單波束測(cè)圖。這是基于多波束測(cè)深技術(shù)普及之前的思路。由于單波束測(cè)深是點(diǎn)和線的概念，會(huì)漏測(cè)小型障礙物，根據(jù)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，常在工程的施工或驗(yàn)收階段才發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)。這樣造成工期滯后或投資誤差過大，不利于工程管理，影響工程建設(shè)進(jìn)度。故考慮到多波束的全覆蓋特性，完全可以在初設(shè)階段或施工圖階段就采用多波束測(cè)深，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，將大大提高工程建設(shè)的管理水平。

2.2.2 水下隱蔽工程檢測(cè)方面

多波束測(cè)深獲得高分辨率的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了水下三維可視化，開辟了水下隱蔽工程的檢測(cè)的新天地。水下隱蔽工程的測(cè)量監(jiān)督是一個(gè)難點(diǎn)，傳統(tǒng)的手段為單波束測(cè)深、水砣測(cè)深、潛水員探摸，測(cè)量結(jié)果不理想。利用多波束測(cè)深高精度、高密度、三維可視化的特點(diǎn)，福建省港航管理局勘測(cè)中心已經(jīng)開展這方面的工作：從碼頭到防波堤，在施工階段及運(yùn)營(yíng)階段都取得了很好的效果，具體的案例有：廈門歐厝對(duì)臺(tái)碼頭三維可視化檢測(cè)以及浙江蒼南電廠防波堤運(yùn)營(yíng)期檢測(cè)。水下隱蔽工程可視化檢測(cè)的應(yīng)用思路為：（1）基槽開挖時(shí)利用泥漿密度計(jì)配合多波束測(cè)深實(shí)現(xiàn)基槽的細(xì)部測(cè)量;（2）基床回填整平后利用多波束測(cè)深進(jìn)行三維可視測(cè)圖，測(cè)出基床的肩部細(xì)節(jié)，直觀地評(píng)估基床整平效果;（3）承箱安裝后多波束測(cè)深結(jié)合三維掃描儀（一種測(cè)站式微型高精度多波束）對(duì)碼頭前趾及承箱接縫進(jìn)行測(cè)量，評(píng)估承箱安裝質(zhì)量;（4）運(yùn)營(yíng)期定期用多波束掃測(cè)承箱的箱體及碼頭前趾的水流沖刷情況。

2.2.3 疏浚工程量計(jì)算方面

港口與航道的疏浚工程中工程量的計(jì)算涉及巨大的經(jīng)濟(jì)利益（水深測(cè)量誤差1厘米對(duì)應(yīng)的工程量為每平方公里1萬(wàn)立方），因此水深測(cè)量精度的微量提高對(duì)于大面積水域的疏浚工程量具有重大意義。根據(jù)《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS131-2012），單波束測(cè)深數(shù)據(jù)用于計(jì)算工程量時(shí)，采用隨機(jī)等間距的方式取點(diǎn)，該思想是利用隨機(jī)等效影響的概念保障計(jì)算精度。而多波束測(cè)深可測(cè)得地表細(xì)節(jié)，利用高密度的多波束數(shù)據(jù)可精確計(jì)算工程量。然而原始的多波束測(cè)點(diǎn)間距為分米級(jí)，造成海量數(shù)據(jù)，不利于計(jì)算機(jī)運(yùn)算，因此需要建立新的數(shù)據(jù)選取機(jī)制。主流的方格網(wǎng)法或等間距法選點(diǎn)均導(dǎo)致地形不同程度的失真，容易忽略地形特征點(diǎn)。筆者根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出新的數(shù)據(jù)壓縮方法：地形特征值法。該方法以最原始的高密度多波束數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，相鄰的4個(gè)測(cè)深點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)四棱錐，視為一個(gè)微地形單元。設(shè)置該棱椎的幾何參數(shù)作為選點(diǎn)門限，區(qū)分出平坦地形和復(fù)雜地形，實(shí)現(xiàn)選取的水深點(diǎn)既不冗繁，又能準(zhǔn)確體現(xiàn)地形特征。這樣既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)大幅壓縮，又保障了地形細(xì)節(jié)的真實(shí)表達(dá)，既解決數(shù)據(jù)冗繁的問題，又保障計(jì)算精度。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在未來(lái)的研究中應(yīng)進(jìn)一步對(duì)多波束系統(tǒng)在海洋測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的研究與分析，希望本文能夠?yàn)槎嗖ㄊ到y(tǒng)在海洋測(cè)量中的應(yīng)用研究提供幾點(diǎn)借鑒，并為我國(guó)海洋航道的發(fā)展提供積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]張同偉，秦升杰，唐嘉陵，王向鑫.深水多波束測(cè)深系統(tǒng)現(xiàn)狀及展望[J].測(cè)繪通報(bào)，2018，（05）：82-85.

[2]溫志堅(jiān).應(yīng)用多波束測(cè)深系統(tǒng)的海洋測(cè)繪研究[J].科技資訊，2017，15（14）：70-71.