波浪能示范區(qū)海底電纜多元融合探測(cè)技術(shù)研究

王志彬 張潤(rùn)達(dá)

（廣州海事測(cè)繪中心，廣東 廣州 510320）

0 引言

近年來，多波束測(cè)深系統(tǒng)［1］、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、合成孔徑聲吶等被應(yīng)用于對(duì)海纜和海底障礙物的探測(cè)中。但因自身具有局限，導(dǎo)致單一探測(cè)技術(shù)無法準(zhǔn)確、全面獲得海纜、障礙物的存在形態(tài)，這就使多種探測(cè)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用成為趨勢(shì)。陳正榮等［2］提出了多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶的聯(lián)合應(yīng)用方案，并用來掃測(cè)海底掉落的集裝箱。王強(qiáng)等［3］、陳超等［4］、黃小衛(wèi)等［5］提出了多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶的聯(lián)合應(yīng)用方法，用于檢測(cè)海底電纜路由及海上風(fēng)電場(chǎng)水下結(jié)構(gòu)的沖刷情況。董玉娟等［6］根據(jù)側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀特點(diǎn)，研究EdgeTech 3100 型淺地層剖面儀和4200-FS 型側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在海底輸油管道檢測(cè)中的應(yīng)用。綜上所述，兩種甚至多種探測(cè)技術(shù)在海底障礙物及海底電纜探測(cè)中的聯(lián)合應(yīng)用日益廣泛。目前，學(xué)者對(duì)如何獲取海底電纜路徑上的詳實(shí)水深數(shù)據(jù)、水下結(jié)構(gòu)圖像及海底電纜埋設(shè)情況的研究相對(duì)較少。本研究提出一種融合了多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀的多元探測(cè)方法，并使用該方法對(duì)珠海大萬山島波浪能示范區(qū)的海底電纜路徑水域進(jìn)行全覆蓋測(cè)量。

1 測(cè)區(qū)概況

珠海大萬山島是我國(guó)海洋能資源最豐富的海域之一，全年主要風(fēng)力分為秋冬春三季的東北季風(fēng)、夏季的西南季風(fēng)。大萬山島北側(cè)有白瀝島，西側(cè)有小萬山島，東南側(cè)15 km 處有廟灣島和北尖島。整個(gè)大萬山島受東北、東、東南、南、西南方向海浪的影響，而島嶼南側(cè)區(qū)域各方向波浪均可抵達(dá)。大萬山島南側(cè)四季具有較均勻的波浪能資源，年均波浪能流密度不低于5 kW/m，全年有效波高為1.5～2.5 m的累計(jì)時(shí)間不小于2 000 h。大萬山島南側(cè)的波浪能資源豐富，四季分布均勻，海底平整，流速較低，與海島其他用戶的海運(yùn)需求并無沖突，適合作為波浪能發(fā)電系統(tǒng)的工程示范區(qū)，示范工程示意如圖1所示。

圖1 大萬山島波浪能示范工程示意

2 掃測(cè)方案

使用T50-P 多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行掃測(cè)，并使用Klein 4900多功能側(cè)掃聲吶和EdgeTech 3400淺地層剖面儀進(jìn)行多元協(xié)同探測(cè)。掃測(cè)時(shí)，按照國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和IHO S-44 Ed.5 1a 等級(jí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋樗罨鶞?zhǔn)面，采用四尺巖自動(dòng)驗(yàn)潮站進(jìn)行水位控制，使用Trimble SPS 461 DGPS 定位系統(tǒng)來接收無線電差分臺(tái)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。DGPS 接收機(jī)輸出的成果為WGS-84 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，在航海用途上，WGS-84 坐標(biāo)系等同于CGCS2000 坐標(biāo)系，可直接輸入到Hypack 測(cè)量軟件中進(jìn)行導(dǎo)航。測(cè)圖采用高斯-克呂格投影，3°帶投影，中央子午線為114°E（38°帶）。

3 掃測(cè)流程

3.1 多波束水深測(cè)量實(shí)施

在進(jìn)行水深測(cè)量時(shí)，采用DGPS 系統(tǒng)進(jìn)行定位，輸出WGS-84坐標(biāo)給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，用于船舶導(dǎo)航和航跡線記錄，用多波束測(cè)深采集系統(tǒng)對(duì)位置、水深及各種姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。多波束換能器采用船舶側(cè)舷支架方式進(jìn)行安裝，將羅經(jīng)設(shè)置為水深測(cè)量的參考原點(diǎn)，建立以船艏方向?yàn)閅軸（指向船艏為正）、垂直船艏方向?yàn)閄軸（指向船右舷為正）、Z軸（鉛垂方向，向下為正）垂直于XOY朝下的左手船體坐標(biāo)系。各單元的位置關(guān)系詳見表1。量取相關(guān)位置數(shù)據(jù)后，分別輸入到船配文件中，并在Caris Hips＆SIPS 8.1多波束數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行歸心改正。測(cè)量水深前進(jìn)行安裝校準(zhǔn)，校準(zhǔn)參數(shù)包括橫搖、縱搖、艏向，通過軟件對(duì)外業(yè)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算，求得各改正值（橫搖1.70°、縱搖-2.00°、艏向1.00°）。多波束掃測(cè)按間距為40 m、平行于海底電纜來設(shè)計(jì)線路，布設(shè)往返兩條主測(cè)深線進(jìn)行覆蓋測(cè)量。在多波束掃測(cè)時(shí)，將航速控制在12.96 km/h內(nèi)，測(cè)線兩端延長(zhǎng)200 m，以確保多波束采集系系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，保證采集數(shù)據(jù)的可靠性。另外，按主測(cè)線里程的5%布設(shè)單波束檢查線，用于在內(nèi)業(yè)處理時(shí)對(duì)多波束水深數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核。在水深測(cè)量前、中、后各進(jìn)行一次聲速剖面測(cè)量，當(dāng)聲速剖面發(fā)生顯著變化時(shí)，增加聲速剖面的測(cè)定次數(shù)。為消除多波束測(cè)量時(shí)的邊緣波束測(cè)量誤差，可在多波束換能器附近安裝表層聲速儀［7］。

表1 T50-P多波束測(cè)深系統(tǒng)各單元相對(duì)位置參數(shù)

3.2 側(cè)掃聲吶掃測(cè)實(shí)施

側(cè)掃聲吶主要用于檢測(cè)海底沖刷狀態(tài)，包括定位、海底地貌圖像采集、聲吶數(shù)據(jù)處理、聲圖判讀、目標(biāo)分析等功能。大萬山島波浪能示范區(qū)探測(cè)海域水深在24 m 左右，側(cè)掃聲吶在掃測(cè)時(shí)要平行于海底電纜的設(shè)計(jì)線路，在設(shè)計(jì)線路兩側(cè)40 m 各布設(shè)兩條測(cè)線進(jìn)行檢測(cè)。

側(cè)掃聲吶掃測(cè)使用的是Klein 4900 系統(tǒng)，采用高頻工作模式，選用75 m 量程，拖魚拖曳深度為2 m，船速控制在7.4 km/h 左右，從而能獲取較為清晰的海底圖像。

3.3 淺地層剖面儀掃測(cè)實(shí)施

根據(jù)多波束測(cè)深系統(tǒng)與側(cè)掃聲吶的掃測(cè)結(jié)果，使用EdgeTech 3400 淺地層剖面儀對(duì)海纜的埋設(shè)信息進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，主要用來探測(cè)海纜埋深及是否存在裸漏等情況。在使用淺地層剖面儀掃測(cè)時(shí)，按垂直于海底電纜設(shè)計(jì)線路布設(shè)淺地層剖面儀的探測(cè)計(jì)劃線，計(jì)劃線間距為100 m，在海纜拐點(diǎn)處加密探測(cè)。設(shè)備以側(cè)舷支架固定的方式進(jìn)行安裝，使用DGPS進(jìn)行定位，采用Discover SB 軟件來采集數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)過程中，要密切關(guān)注底跟蹤等參數(shù)，確保采集到的影像清晰可辨。掃測(cè)采用獨(dú)立的管線模式，有利于采集地層界面反射系數(shù)，從而確定海底電纜埋設(shè)情況。

4 掃測(cè)結(jié)果分析

4.1 水深情況

完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，使用Caris軟件Hips模塊對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)（多波束數(shù)據(jù)）進(jìn)行處理，并通過設(shè)定合理的過濾參數(shù)，來剔除水深數(shù)據(jù)中的虛假信號(hào)。在Hips 模塊中，建立地域圖表文件，直觀地顯示出海底地形的掃測(cè)圖像，并將水深數(shù)據(jù)以XYZ格式文件輸出。使用Hypack 軟件對(duì)單波束數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過刪除假信號(hào)、水位改正后，輸出XYZ數(shù)據(jù)，并與多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。除接近大萬山島的水域較淺外，海底電纜路徑水域水深基本在24 m左右。經(jīng)多波束主測(cè)線與單波束檢查線水深比對(duì)（抽取170 個(gè)水深重合點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)），最大互差為±0.3 m，符合率為100%，符合規(guī)范要求。

4.2 海底電纜路徑設(shè)計(jì)情況

由于多波束測(cè)深系統(tǒng)覆蓋全、精度高、位置信息準(zhǔn)確，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率高、實(shí)時(shí)性好、測(cè)量效率高，將兩者協(xié)同應(yīng)用，能詳細(xì)地反映出海底電纜的路徑信息，如圖2、圖3所示。

圖2 海底電纜實(shí)測(cè)路徑水下結(jié)構(gòu)三維點(diǎn)云

圖3 海底電纜實(shí)測(cè)路徑水下結(jié)構(gòu)側(cè)掃聲吶圖像

大萬山島波浪能工程區(qū)海底電纜實(shí)測(cè)路徑與設(shè)計(jì)路徑基本吻合，局部情況如圖4 所示。掃測(cè)的最大偏差距離為20 m，如圖5 所示。這是因?yàn)樵诤５纂娎|鋪設(shè)過程中，受潮流流向趨勢(shì)、風(fēng)向、船舶行駛方向偏離設(shè)計(jì)路線等因素的影響，從而造成偏差。

圖4 海纜實(shí)測(cè)路徑與設(shè)計(jì)路徑局部吻合情況示意

圖5 實(shí)測(cè)路徑與設(shè)計(jì)路徑最大偏差距離示意

4.3 海底電纜埋設(shè)情況

淺剖測(cè)量結(jié)果如圖6 所示。圖像可明確指示出海底電纜的埋深情況。

圖6 海底電纜淺地層剖面儀圖像

由各測(cè)線的淺剖分析結(jié)果可知，大萬山島波浪能示范區(qū)海底電纜均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，其埋深情況見表2。

表2 大萬山島波浪能示范區(qū)海底電纜埋深情況

綜上所述，通過對(duì)海底電纜路徑上的詳實(shí)水深數(shù)據(jù)、水下結(jié)構(gòu)圖像及海底電纜埋設(shè)情況進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的探測(cè)，為大萬山島波浪能示范區(qū)海底電纜運(yùn)維提供依據(jù)。

5 結(jié)語

本研究采用多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀聯(lián)合探測(cè)的方法，對(duì)珠海大萬山島波浪能示范區(qū)海底電纜進(jìn)行全覆蓋探測(cè)。通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)、三維圖像等進(jìn)行分析比較，獲取海底電纜路徑上的詳實(shí)水深數(shù)據(jù)、水下結(jié)構(gòu)圖像及海底電纜埋設(shè)情況，提高不同方法探測(cè)的全面性、準(zhǔn)確性。特別是多種設(shè)備在對(duì)海底電纜探測(cè)時(shí)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將三者的影像在底質(zhì)和地理位置上進(jìn)行疊加，可極大地提高了海底電纜解譯的準(zhǔn)確性，為船舶通航、錨泊安全及海底電纜的安全維護(hù)提供了強(qiáng)有力保障，對(duì)海纜維護(hù)探測(cè)具有一定的借鑒意義。但淺地層剖面儀在砂底質(zhì)的海底穿透能力較弱［8］、分辨能力較差，海底電纜埋設(shè)情況的探測(cè)技術(shù)研究仍有待深入。