劉 權(quán)

（上海浦海測繪有限公司，上海201399）

多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復(fù)雜組合系統(tǒng)，是現(xiàn)代信號處理技術(shù)、高性能計算機技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)及其他相關(guān)高新技術(shù)等多種技術(shù)的高度集成。 不同于單波束測深系統(tǒng)， 多波束測深系統(tǒng)可在測量斷面內(nèi)形成十幾個至上百個測深點， 幾百個甚至上千個回向散射強度數(shù)據(jù)， 從而保證了較寬的掃幅和較高的測點密度；另一方面，較窄的波束、先進的檢測技術(shù)和精密的聲線改正方法的采用， 也確保了測點船體坐標的歸位計算精度， 因而多波束測深具有全覆蓋、高精度、高密度和高效率的特點［1］。 可以說，多波束測深系統(tǒng)的出現(xiàn)， 極大地改良了傳統(tǒng)水深測量的作業(yè)方式，在海洋調(diào)查中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。

本文以海底地形中的水下基坑為案例， 介紹RESON Seabat T50-P系統(tǒng)組成及特點， 并通過其在水下基坑中的具體實施及數(shù)據(jù)處理， 分析其精度及成果。

1 組成及特點

1.1 RESON Seabat T50-P系統(tǒng)組成

SeaBat T50-P是SeaBat T系列的新成員，是丹麥Reson公司研制的一種新型的高度集成化多頻率的水下三維成像聲納系統(tǒng)，由硬件和軟件部分組成。其中硬件部分主要包括： 聲速剖面儀、 表面聲速儀、DGPS、羅經(jīng)、換能器及處理單元、一體化慣導(dǎo)（三維姿態(tài)儀）、主機配以網(wǎng)絡(luò)交換機、計算機組成；軟件部分主要是多波束數(shù)據(jù)采集及處理軟件，如圖1。

圖1 RESON Seabat T50-P系統(tǒng)組成

SeaBat T50-P多波束測深儀技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 SeaBat T50-P多波束測深儀技術(shù)參數(shù)

1.2 RESON Seabat T50-P系統(tǒng)特點

（1）高度集成、安裝便捷，作業(yè)方便。 Teledyne Reson SeaBat T50-P多波束系統(tǒng)包含：便攜聲吶處理器（PSP）。PSP是一臺強大的聲吶處理器，簡化了線纜連接，便于設(shè)備快速安裝布置。 它可以用于聲吶、傳感器數(shù)據(jù)及準確時鐘同步的單點連接， 可以通過標準以太網(wǎng)連接到測繪使用的臺式機或筆記本電腦上。

（2）大掃寬角度，波束數(shù)量多。 等距模式下150°，等角模式下165°，且波束數(shù)量達到512條。

（3）工作頻率范圍大。 可以在19～420kHz之間自由調(diào)節(jié)，步長為10kHz。

（4）測深分辨率高。 測深分辨率達到6mm，可以有效分辨復(fù)雜的海底地形。

2 外業(yè)實施

本案例為上海某水域，臨近主航道，且來往船舶較多，為了解此區(qū)域的水下地形情況，對該區(qū)域進行多波束全覆蓋水深掃測，并對該區(qū)域地形做出分析。

2.1 設(shè)備安裝

主要對系統(tǒng)各部件包括換能器、GPS、羅經(jīng)、三維姿態(tài)儀、顯示器等進行組裝并調(diào)試。

本次換能器安裝采用船舷方式安裝，如圖2。

圖2 系統(tǒng)各設(shè)備安裝位置

2.2 安裝校準

多波束系統(tǒng)各設(shè)備安裝完畢，運行調(diào)試后，為了消除系統(tǒng)誤差，必須進行兩坐標系統(tǒng)之間的平移、旋轉(zhuǎn)校準， 將換能器基陣中心位置歸算到測量船重心位置處，以保證測量結(jié)果的客觀性［2］。 安裝校準在具有一定坡度和特征的區(qū)域進行。校準參數(shù)包括橫搖、縱搖、艏向。 GPS因采用PPS模式傳輸數(shù)據(jù)，故不需再進行時延校正。具體測試方法如下：橫搖-平坦區(qū)域、反向、同速、同一測線。 縱搖-斜坡區(qū)域、反向、同速、同一測線。 艏向-斜坡區(qū)域、同向、同速、不同測線。

經(jīng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集， 通過軟件校準計算求得各改正值，橫搖-0.63°，縱搖-2.95°，艏向-2.27°。

2.3 潮位觀測及聲速測量

潮位和聲速數(shù)據(jù)是多波束系統(tǒng)水深改正的重要部分，它直接影響最后的數(shù)據(jù)質(zhì)量，因此潮位觀測及聲速測定必不可少。 本次潮位數(shù)據(jù)使用測區(qū)水文站觀測的潮位，時間間隔10min，以測前半小時及測后半小時為區(qū)間進行記錄。 聲速測量使用英產(chǎn)mini SVP聲速剖面儀，分別在測前、測中及測后對區(qū)域內(nèi)聲速進行測定。

3 內(nèi)業(yè)處理

本次多波束外業(yè)采集數(shù)據(jù)軟件使用PDS2000，內(nèi)業(yè)處理軟件使用QINSY公司開發(fā)的QPS qimera軟件，qimera是一款易于使用且功能強大的聲納數(shù)據(jù)處理應(yīng)用程序，兼容多種外業(yè)軟件數(shù)據(jù)采集格式，包括常用 的QINSY DB，Kongsberg ALL，RESON / Norbit S7K，Hypack HSX，GSF等。

Qimera包括的功能如下：

（1）支持多種原始數(shù)據(jù)格式及編輯后離散點數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

（2）聲速改正、潮位編輯。

（3）安裝校準測試、擺動測試。

（4）多種濾波模式，如CUBE濾波、尖刺過濾等。

（5）強大的數(shù)據(jù)編輯模式，如swath編輯、三維編輯等。

（6）成果數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式支持自定義編輯。

（7）引導(dǎo)性的工作流程，以最少的用戶輸入減少操作錯誤。

使用qimera進行多波束內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵步驟包括：靜（動）吃水、潮位、聲速等改正值合并，建立動態(tài)曲面，尖刺濾波，CUBE濾波及三維編輯、swath編輯等。

圖3 qimera多波束處理流程

4 成果分析

使用qimera軟件根據(jù)以上流程處理最后分別得到1m及5m格網(wǎng)建立的數(shù)字高程模型圖，如圖4，圖5。

圖4 1m格網(wǎng)模型

圖5 5m格網(wǎng)模型

根據(jù)數(shù)字高程模型顯示，該區(qū)域有兩處基坑，形態(tài)一大一小，大基坑形狀似“W”字母，總長度近5km，寬度約300m，最深處達13.5m，原泥面水深約8.5m，基坑與原泥面深度落差近5m， 基坑區(qū)域內(nèi)地形表現(xiàn)平緩規(guī)整；小基坑長度約1km，最寬處約170m，水深可達15m，與原泥面落差近7m。 通過比對1m及5m格網(wǎng)模型， 可以看出1m格網(wǎng)模型呈現(xiàn)的地形細節(jié)精細程度明顯優(yōu)于5m格網(wǎng)模型。

通過對大基坑特征位置附近地形進行剖面分析，如圖6，可以明確看到此區(qū)域的深度起伏變化，剖面地形呈梯次變化， 由8.5m水深在20m處陡深至10.5m附近，斜率約為1∶2，后至110m處出現(xiàn)急劇變深至13.5m附近，寬度達90m，斜率1∶4，深度剖面呈現(xiàn)“圓拱”形態(tài)，后梯次變淺至8m，寬度約40m。 結(jié)合模型圖可以看出此處地形在原有基坑基礎(chǔ)上再次加深。 該處基坑呈現(xiàn)8.5，10，13.5m三種水深梯次變化，在水深變化處斜率近似相等，水下基坑地形規(guī)整。

通過對小基坑特征位置附近地形進行剖面分析，如圖7，該剖面亦呈現(xiàn)梯次變化，由海底原泥面的8m，急劇變深至12.5m附近， 以緩坡地形式后逐漸變深至15m左右，寬度達160m，后急劇變淺至8m附近，斜率1∶2。

圖6 大基坑地形典型剖面圖

圖7 小基坑地形典型剖面圖

綜合大小基坑附近地形剖面及整個高程模型分析， 此區(qū)域內(nèi)兩處基坑與周圍原泥面水深有明顯差異，基坑內(nèi)水深變化平緩且地形規(guī)整，兩處基坑非自然形成，疑似采砂船在此采砂施工造成。

5 精度評定

多波束數(shù)據(jù)成果的精度包括內(nèi)符合精度及外符合精度。 內(nèi)符合精度可通過主測線和檢查線中央波束來計算，這樣可得到一個交叉點不符值的點數(shù)列［3］。外符合精度是以主測線或檢查線中央波束水深作為參考水深，與檢查線或主測線的扇面水深計算交叉點不符值［4］。

根據(jù)JTS 131—2012《水運工程測量規(guī)范》中深度比對互差要求： 水深H≤20m時， 深度比對互差≤0.4m，且超限點的比例≤20%［5］，如表2，表3。 本次測量內(nèi)、外符合精度均滿足規(guī)范要求，成果質(zhì)量可靠。

表2 內(nèi)符合精度對比情況

表3 外符合精度對比情況

6 經(jīng)驗總結(jié)

（1）多波束測深系統(tǒng)是多種精密設(shè)備集成后的產(chǎn)物， 每個設(shè)備都對最終的數(shù)據(jù)質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，因此在測量實施前的準備環(huán)節(jié)，要對各設(shè)備的運行狀態(tài)須作重點關(guān)注， 正確量取各設(shè)備安裝時的相對位置，以及安裝校準值的計算。

（2）類似的海底基坑調(diào)查作業(yè)，要對調(diào)查區(qū)域有事前了解， 這樣可針對其區(qū)域特征選擇滿足調(diào)查需要的設(shè)備。 在外業(yè)施測時的規(guī)劃測線， 尤其在陡坡（水深急劇變化處）附近需適當(dāng)加密，以保證多波束外業(yè)的全覆蓋掃測。

（3）建立的數(shù)字高程模型圖，格網(wǎng)越小，細節(jié)顯示越細致，但文件大小也成倍增長，因此最終的成果應(yīng)根據(jù)實際需要選擇合適的格網(wǎng)大小。

7 結(jié)語

通過本次水下基坑掃測，RESON Seabat T50-P多波束測深系統(tǒng)在整個測量實施過程中， 系統(tǒng)各設(shè)備運行狀況穩(wěn)定， 良好地完成了外業(yè)測量工作。 由qimera多波束處理軟件分析處理后建立的數(shù)字高程模型圖及剖面圖， 清楚呈現(xiàn)了水下基坑的具體形態(tài)（走向、長度、寬度、坡度等信息），直觀地表現(xiàn)了周圍地形的差異變化，且分辨率高，經(jīng)分析軟件統(tǒng)計，外業(yè)采集數(shù)據(jù)精度高，質(zhì)量可靠，對其他類似的水下地形調(diào)查項目，可以起到很好的借鑒意義。