徐澤 高金耀 楊春國 沈中延

(1國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310012;2國家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012)

提要 數(shù)字水深模型是描繪海底地形地貌的水深地形圖, 在羅斯海陸架上, 冰蓋的進(jìn)退形成形態(tài)大小各異的海底冰川地貌, 而對海底冰川地貌的解釋研究需要高分辨率數(shù)字水深模型的支持。采用36個國際公開航次采集到的多波束水深數(shù)據(jù)以及GEBCO_2014網(wǎng)格水深數(shù)據(jù), 融合、編繪成50 m網(wǎng)格間距的高分辨率羅斯海數(shù)字水深模型。由于采用的多波束水深數(shù)據(jù)來源于不同調(diào)查船只、不同多波束聲吶系統(tǒng)及不同航次, 這給多波束水深數(shù)據(jù)的精度評估、融合等帶來一定的困難。本文首先采用通用繪圖工具(GMT)對多波束中央波束水深數(shù)據(jù)的交點(diǎn)誤差做統(tǒng)計(jì)分析, 再利用統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果對不同航次水深數(shù)據(jù)做出精度評估,最后利用“移除-恢復(fù)”法對兩種來源及精度不同的水深數(shù)據(jù)做最后的融合。通過以上步驟得到的羅斯海高分辨率數(shù)字水深模型與國際南大洋水深地形圖(IBCSO)相比, 能夠更加清晰地凸顯海底微地形地貌特征,尤其是冰川進(jìn)退過程中產(chǎn)生的地貌特征, 可滿足羅斯海海底冰川地貌的解釋工作及綜合地質(zhì)地球物理研究任務(wù)。

0 引言

南極冰蓋覆蓋面積達(dá)13.6×106km2,體積約占全球總冰量的90%, 如果冰蓋全部融化, 將導(dǎo)致全球海平面上升約66 m[1]。南極冰蓋被橫貫?zāi)蠘O山脈分為東南極冰蓋和西南極冰蓋, 其中西南極冰蓋為海洋型冰蓋, 冰蓋接地線大部分位于平均海平面以下, 受海洋環(huán)境因素影響較大, 對氣候變化非常敏感。羅斯海作為西南極冰蓋向海延伸的一個主要區(qū)域, 在地質(zhì)歷史上受氣候變化的影響, 冰蓋活動較為顯著, 冰蓋的進(jìn)退在海底形成各種不同形態(tài)、尺度的冰川地貌, 這些海底冰川地貌對于理解歷史上南極冰蓋的進(jìn)退過程具有重要的指示意義。“十二五”期間, 依托“南北極環(huán)境綜合考察與評估”專項(xiàng), 我國在羅斯海區(qū)域進(jìn)行了多年的地質(zhì)地球物理考察, 旨在探究地質(zhì)歷史中西南極冰蓋在羅斯海的活動動態(tài)及與全球氣候變化的關(guān)系, 然而, 這些地質(zhì)地球物理資料的合理解釋離不開高分辨率海底地形數(shù)據(jù)的支持。

目前, 羅斯海區(qū)域還沒有公開的高分辨率水深地形圖。國際上已公開的多個全球或半球區(qū)域的水深地形圖, 分辨率都較低。Arndt等[2]于2013年發(fā)布了第一版國際南大洋水深地形圖(IBCSO Version 1.0), 采用了來自15個國家30個機(jī)構(gòu)的水深數(shù)據(jù), 范圍在60°S以南, 其中包括多波束水深數(shù)據(jù)、單波束水深數(shù)據(jù)、數(shù)字化海圖的水深數(shù)據(jù)等, 其網(wǎng)格間距為500 m×500 m。Weatherall等[3]于2014年發(fā)布最新一版全球海底地形圖(GEBCO_2014),利用 IBCAO Version 3.0、IBCSO Version 1.0等最新數(shù)據(jù)對GEBCO_08進(jìn)行了更新, 網(wǎng)格間距為30弧秒。Becker等[4]于2009年發(fā)布了分辨率為 30弧秒的全球水深和高程數(shù)據(jù)(SRTM30_PLUS)。IBCSO、GEBCO_2014和 SRTM30_PLUS提供的南大洋或全球的水深地形圖, 包含了羅斯海區(qū)域水深地形圖。但是, 以上 3個水深數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供的羅斯海區(qū)域水深地形圖分辨率較低, 最高的分辨率為 500 m, 難以滿足羅斯海陸架地區(qū)海底冰川地貌和歷史上冰川活動等的解釋研究工作要求。

為了得到羅斯海區(qū)域高分辨率的水深地形圖,滿足羅斯海海底冰川地貌的解釋工作及綜合地質(zhì)地球物理研究任務(wù), 本文采用36個公開航次多波束水深數(shù)據(jù)和GEBCO_2014網(wǎng)格數(shù)據(jù), 利用多波束的中央波束水深數(shù)據(jù)對水深數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行精度評估[5], 采用移除-恢復(fù)法[6-7]對不同來源和分辨率的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。最終得到羅斯海高分辨率的數(shù)字水深模型, 其網(wǎng)格間距為50 m, 能夠清晰地凸顯海底冰川地貌特征, 這些冰川地貌是歷史上羅斯海冰川進(jìn)退的有力證據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用36個公開航次的羅斯海多波束水深數(shù)據(jù)(表1), 范圍為160°E—150°W, 71°S—79°S。其中10個航次的水深數(shù)據(jù)來自于美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(The National Geophysical Data Center,NGDC), 其余26個航次的數(shù)據(jù)來源于海洋地球科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)(Marine Geoscience Data System,MGDS)。由于采用不同的調(diào)查船和多波束測深儀(Nathaniel B.Palmer調(diào)查船航次30個, 多波束聲納系統(tǒng)型號有SeaBeam 2112和Kongsberg EM120;Healy調(diào)查船航次1個, 多波束聲納系統(tǒng)型號為SeaBeam2112; Oden調(diào)查船航次1個, 多波束聲納系統(tǒng)型號為 Kongsberg EM122), 且采集時間跨度大(1994—2013年), 因此導(dǎo)致不同航次的水深數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊。

羅斯海多波束水深數(shù)據(jù)空間分布不均勻, 主要分布在羅斯海西部(圖1), 且仍有許多區(qū)域沒有多波束水深數(shù)據(jù)。在羅斯海高分辨率數(shù)字水深模型制作過程中, 對于沒有多波束水深數(shù)據(jù)的區(qū)域, 本文利用分辨率為 30弧秒的 GEBCO_2014網(wǎng)格水深數(shù)據(jù)填充。

圖1 羅斯海不同調(diào)查船和多波束聲納系統(tǒng)航跡分布圖Fig.1.Tracks of different vessels and multi-beam systems

表1 多波束水深數(shù)據(jù)來源以及單獨(dú)航次交點(diǎn)差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 1.Multi-beam source data and crossover statistics for individual cruise

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

多波束聲納系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中, 由于各種誤差的影響, 導(dǎo)致出現(xiàn)水深異常點(diǎn), 在成圖之前需要剔除這些水深異常點(diǎn)。首先利用MBsystem軟件[8]對每個航次數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 自動刪除水深異常點(diǎn),然后提取處理后的數(shù)據(jù), 并保存為 ASCII XYZ數(shù)據(jù)格式。接著利用QPS Fledermaus軟件對XYZ數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化成圖, 檢查成圖結(jié)果, 再次識別水深異常點(diǎn), 利用Fledermaus軟件中的3D Editor模塊手動刪除水深異常點(diǎn), 接著導(dǎo)出處理后的數(shù)據(jù)。重復(fù)上一步驟, 直至完全刪除水深異常點(diǎn), 將處理后的水深數(shù)據(jù)保存為ASCII XYZ數(shù)據(jù)格式(圖2)。

圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與羅斯海數(shù)字水深模型制作流程Fig.2.Scheme showing data pre-processing and gridding steps to produce the digital bathymetry model of Ross Sea

1.3 數(shù)據(jù)精度評價

多波束水深數(shù)據(jù)的誤差主要來源于聲速剖面、橫搖、縱搖和艏搖等。其中聲速剖面對中央波束水深影響最小, 對邊緣波束水深影響最大[9]。對于多波束水深數(shù)據(jù), 通常采用主測線和檢查測線的交點(diǎn)處水深不符值(交點(diǎn)差)來評價其質(zhì)量。GMT中的x2sys工具包已被應(yīng)用于許多船測航跡數(shù)據(jù)(重力、磁力等數(shù)據(jù))的質(zhì)量評價[10]。由于x2sys工具只能應(yīng)用于航跡數(shù)據(jù), 而多波束系統(tǒng)在沿測線航行過程中, 采集到的數(shù)據(jù)為條帶數(shù)據(jù),在垂直于航跡方向, 條帶的寬度與扇區(qū)開角和水深等有關(guān)[11]。因此, 對于處理后的多波束水深數(shù)據(jù), 為了能夠應(yīng)用 x2sys工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)精度評價, 本文首先使用 MBSystem軟件抽取多波束每3個相鄰ping的中央波束水深并取平均值, 然后利用GMT軟件中的x2sys工具包對交點(diǎn)處水深不符值做精度評估。利用每3個ping的中央波束水深平均值可以減小偶然誤差對交點(diǎn)差分析的影響,同時也能減小數(shù)據(jù)處理的時間。

x2sys工具包為GMT的一系列命令集合, 可以計(jì)算交點(diǎn)的位置和交點(diǎn)差的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。若交點(diǎn)處沒有水深觀測值, 則利用最近點(diǎn)水深觀測值進(jìn)行線性插值。當(dāng)船速較小或調(diào)查船在小范圍內(nèi)來回航行時, 會導(dǎo)致 x2sys工具算出大量的重復(fù)交點(diǎn)。因此在計(jì)算交點(diǎn)的時候, 把船速限制在 2節(jié)以上, 以避免大量重復(fù)交點(diǎn)的出現(xiàn)影響到結(jié)果。為了確定每個航次數(shù)據(jù)的可靠性, 對每一個航次數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 計(jì)算每個航次內(nèi)部所有交點(diǎn)差的平均值、均方根差以及相對誤差(表1)。對于相同調(diào)查船和多波束聲納系統(tǒng)型號的航次,認(rèn)為其數(shù)據(jù)質(zhì)量基本一致, 并將相同調(diào)查船和多波束聲納系統(tǒng)型號的航次分為一組, 分別計(jì)算每組所有航次的內(nèi)部交點(diǎn)差和外部交點(diǎn)差的平均值、均方根差以及相對誤差(表2)。

表2 根據(jù)相同調(diào)查船與多波束聲納系統(tǒng)型號的分組統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 2.Crossover statistics grouped by similar vessel, sonar system aboard

1.4 數(shù)據(jù)融合

由于羅斯海多波束水深數(shù)據(jù)覆蓋較少, 仍有很多區(qū)域沒有實(shí)現(xiàn)多波束水深數(shù)據(jù)的覆蓋。對于這些區(qū)域, 在數(shù)據(jù)融合過程中, 使用 GEBCO_2014水深網(wǎng)格數(shù)據(jù)對其填充。因此, 羅斯海數(shù)字水深模型將由兩種不同類型數(shù)據(jù)融合而成, 一種是高分辨率的多波束水深數(shù)據(jù), 另一種是低分辨率的 GEBCO_2014網(wǎng)格水深數(shù)據(jù)。采用移除-恢復(fù)法(圖2)對兩種不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合, 使用該方法, 在多波束水深覆蓋到的區(qū)域可以保留其高分辨率的特性, 而其他區(qū)域則可以被低分辨率水深數(shù)據(jù)覆蓋, 保證水深數(shù)據(jù)的全覆蓋[12]。

1.多波束水深數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

將采用相同調(diào)查船和多波束聲吶系統(tǒng)型號的航次分為一組, 共分4組(表2)。首先, 利用GMT軟件中“nearneighbor”命令[13]分別對4組多波束水深數(shù)據(jù)網(wǎng)格化, 得到 4個網(wǎng)格文件, 網(wǎng)格分辨率為50 m。使用該網(wǎng)格化命令, 可以使高分辨的水深數(shù)據(jù)限制在多波束數(shù)據(jù)覆蓋到的區(qū)域, 而網(wǎng)格的其他區(qū)域則沒有數(shù)據(jù)。

由于4個網(wǎng)格文件來源于4組數(shù)據(jù)質(zhì)量不同的航次, 在 4個網(wǎng)格文件合并過程中, 對于不同網(wǎng)格文件之間的相互重疊覆蓋區(qū), 優(yōu)先選取數(shù)據(jù)質(zhì)量高的網(wǎng)格文件, 舍棄數(shù)據(jù)質(zhì)量低的網(wǎng)格文件。均方根差和相對誤差真實(shí)反映了測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量高低, 均方根差和相對誤差的值越小, 代表測量數(shù)據(jù)質(zhì)量越好[14]。為了便于下一步使用GMT軟件對 4個不同數(shù)據(jù)質(zhì)量的網(wǎng)格文件進(jìn)行合并,本文用權(quán)重代表測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低, 權(quán)重為 4代表數(shù)據(jù)質(zhì)量最優(yōu)(均方根差和相對誤差最小),權(quán)重為 1代表數(shù)據(jù)質(zhì)量最差(均方根差和相對誤差最大)。根據(jù)每組水深數(shù)據(jù)的均方根差和相對誤差的大小(表 2, 圖3), 將第一組 Nathaniel B.Palmer調(diào)查船SeaBeam2112多波束10個航次水深數(shù)據(jù)得到的網(wǎng)格文件分配權(quán)重為4(該組數(shù)據(jù)均方根差和相對誤差最小, 數(shù)據(jù)質(zhì)量最優(yōu)), 將第二組Nathaniel B.Palmer調(diào)查船EM120多波束24個航次水深數(shù)據(jù)得到的網(wǎng)格文件分配權(quán)重為3(該組數(shù)據(jù)均方根差和相對誤差較小, 質(zhì)量次之)。第三組Healy調(diào)查船SeaBeam2112多波束和第四組Oden調(diào)查船 Em122多波束各自只有一個航次的水深數(shù)據(jù), 沒有交點(diǎn), 無法計(jì)算均方根差和相對誤差, 在沒有均方根差和相對誤差的前提下, 以數(shù)據(jù)采集的年代遠(yuǎn)近為依據(jù), 認(rèn)為采集年代較近的測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量優(yōu)于采集年代較遠(yuǎn)的測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量, 基于此, 對第三組 Healy調(diào)查船水深數(shù)據(jù)網(wǎng)格化得到的網(wǎng)格文件分配權(quán)重為 1(2003年采集), 對第四組 Oden調(diào)查船水深數(shù)據(jù)網(wǎng)格化得到的網(wǎng)格文件分配權(quán)重為2(2010年采集)。

使用 GMT軟件中修改后的“grdmath”命令中的XOR操作符將4個網(wǎng)格文件合并。首先將權(quán)重為1和2的網(wǎng)格疊加, 如果對于某一網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)權(quán)重為1和2的網(wǎng)格都不存在水深值, 則疊加后的網(wǎng)格該節(jié)點(diǎn)處水深取空值, 如果權(quán)重為 2的網(wǎng)格在該節(jié)點(diǎn)存在水深值則取該水深值, 否則, 取權(quán)重為 1的網(wǎng)格在該節(jié)點(diǎn)的水深值。將得到的網(wǎng)格與權(quán)重為3的網(wǎng)格疊加, 隨后再與權(quán)重為4的網(wǎng)格疊加。使用該方法, 在每次疊加過程中可使得數(shù)據(jù)質(zhì)量高(權(quán)重大)的網(wǎng)格得以保留。最后, 得到一個 50 m分辨率的多波束水深網(wǎng)格文件(圖4)。

2.全部水深數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

圖3 根據(jù)相同調(diào)查船與多波束聲納系統(tǒng)型號, 將所有航次分組, 并對每組統(tǒng)計(jì)分析交點(diǎn)差Fig.3.Crossover-error(COE) statistics grouped by same vessel and sonar system

其次, 利用 GMT軟件對全部羅斯海多波束水深數(shù)據(jù)和GEBCO_2014水深數(shù)據(jù)網(wǎng)格化, 其中網(wǎng)格分辨率為500 m×500 m。然后對得到的網(wǎng)格文件重新采樣, 重新采樣后的網(wǎng)格文件分辨率為50 m×50 m, 得到一個低分辨率的水深網(wǎng)格文件。

3.兩種不同分辨率網(wǎng)格融合

最后, 利用 GMT軟件對上述步驟(1)得到的多波束高分辨率網(wǎng)格和步驟(2)得到的低分辨率網(wǎng)格融合, 得到最終的網(wǎng)格文件, 即羅斯海高分辨率數(shù)字水深模型(圖5)。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)精度分析

由于交點(diǎn)偏差受水深的影響, 隨水深的變化而變化, 使用均方根差不能完全表達(dá)測量結(jié)果的精度高低, 因此引入相對誤差的概念對水深數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評價。主測線和檢查測線交點(diǎn)處水深不符值與平均值的百分比稱為相對誤差, 相對誤差愈小, 測量數(shù)據(jù)精度愈高[14]。對 Nathaniel B.Palmer調(diào)查船SeaBeam2112多波束10個航次交點(diǎn)差分析結(jié)果表明(圖3, 表2), 共有39 706個內(nèi)部交點(diǎn)和外部交點(diǎn), 平均交點(diǎn)差為1.4 m, 均方根差為 1.3。平均交點(diǎn)差的相對誤差為 0.3%, 均方根差的相對誤差為0.3%。共有91.8%的交點(diǎn)偏差小于2 m, 99.5%的交點(diǎn)偏差小于水深的1%。從2002年之后, Nathaniel B.Palmer調(diào)查船多波束系統(tǒng)型號更換為Kongsberg EM120, 到2013年共24個航次, 對其分析結(jié)果表明, 共有 4 089個內(nèi)部和外部交點(diǎn), 平均交

圖4 羅斯海高分辨率多波束水深地形圖Fig.4.High-resolution multi-beam bathymetric topographic maps of Ross Sea

圖5 羅斯海數(shù)字水深模型Fig.5.Digital bathymetry model of Ross Sea

點(diǎn)偏差為1.6 m, 均方根差為19.5。平均交點(diǎn)差的相對誤差為0.2%, 均方根差的相對誤差為2.8%。共有70.6%的交點(diǎn)偏差小于2 m, 90.5%的交點(diǎn)偏差小于水深的1%。對全部航次計(jì)算內(nèi)部交點(diǎn)和外部交點(diǎn), 結(jié)果表明, 總交點(diǎn)數(shù)為45 047, 平均交點(diǎn)偏差為1.1 m, 均方根差為6.4。平均交點(diǎn)差的相對誤差為0.2%, 均方根差的相對誤差為1.5%。共有88.7%的交點(diǎn)偏差小于2 m, 98.3%的交點(diǎn)偏差小于水深的1%。

2.2 與其他產(chǎn)品比較

國際南大洋水深地形圖(IBCSO Version1.0)提供了南大洋500 m×500 m網(wǎng)格分辨率的海底地形圖,其中包括羅斯海海底水深地形圖, 其使用了許多單波束水深數(shù)據(jù)、多波束水深數(shù)據(jù)和衛(wèi)星測高水深數(shù)據(jù)等, 其中多波束數(shù)據(jù)包含了羅斯海數(shù)字水深模型中的36個多波束航次數(shù)據(jù)。由于其網(wǎng)格間距為500 m,分辨率較低, 造成許多海底微地貌特征無法辨別,尤其是位于羅斯海陸架內(nèi)的海底冰川地貌特征。而對于其他水深地形產(chǎn)品(SRTM30_PLUS與GEBCO_2014, 分辨率30弧秒), 分辨率比IBCSO Version1.0都要低, 因此海底冰川地貌特征更加無法辨別。

相比于IBCSO Version1.0, 羅斯海數(shù)字水深模型(RossSea_DBM)中多波束水深數(shù)據(jù)覆蓋到的區(qū)域網(wǎng)格間距為50 m, 其他區(qū)域雖然網(wǎng)格間距也為50 m, 但是這些區(qū)域是由30弧秒分辨率的 GEBCO_ 2014網(wǎng)格數(shù)據(jù)重采樣為50 m 網(wǎng)格間距后生成的, 分辨率并不高。對于存在多波束水深數(shù)據(jù)的區(qū)域, 網(wǎng)格分辨率為50 m, 直徑在50 m以上的海底微地形地貌特征可以很容易地被識別出來, 而在 IBCSO中, 則觀察不到這些微地貌特征。例如, 古冰川運(yùn)動在海底形成的大規(guī)模線性劃痕(MSGL)可以清晰地被觀察到(圖6d),而在相同位置, SRTM30_PLUS、GEBCO_2014與IBCSO V1.0中則觀察不到這些地貌特征(圖6a, b, c)。而由于采用的多波束數(shù)據(jù)來源相同, 因此不存在是由于數(shù)據(jù)缺失造成IBCSO V1.0中觀察不到這些地貌特征的原因。

圖6 西羅斯海德里加爾斯基盆地不同種類數(shù)字水深模型比較Fig.6.Different kinds of digital bathymetric model for Drygalski Basin, West Ross Sea

3 結(jié)論與展望

本文制作的羅斯海數(shù)字水深模型中被多波束水深數(shù)據(jù)覆蓋的區(qū)域網(wǎng)格間距為50 m, 其他區(qū)域網(wǎng)格間距為30弧秒。對于50 m網(wǎng)格間距的區(qū)域, 海底地形地貌特征非常明顯, 古冰川進(jìn)退形成的海底冰川地貌清晰可見, 可滿足羅斯海海底冰川地貌的解釋工作及綜合地質(zhì)地球物理研究任務(wù)。

雖然目前羅斯海的多波束水深數(shù)據(jù)覆蓋面積較小, 但是, 隨著國內(nèi)外南極科考的不斷深入, 裝備多波束回聲測深聲納系統(tǒng)的破冰船投入使用(比如, 雪龍?zhí)栍?017年裝載了SeaBeam 3020型多波束測深儀, 在第34次南極科學(xué)考察中, 我國首次在羅斯海進(jìn)行了多波束海底地形地貌的調(diào)查), 采集到的越來越多的高分辨率多波束水深數(shù)據(jù)可以不斷融合到本文的羅斯海數(shù)字水深模型中, 直至實(shí)現(xiàn)羅斯海多波束水深數(shù)據(jù)的全覆蓋。