劉新華，吳猛

（1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663；2.廣東科諾勘測工程有限公司，廣州510663）

廣東作為海洋大省，廣東省政府已把發(fā)展海上風電作為可再生資源開發(fā)利用的重要方向［1-2］。隨著人類對海洋資源和環(huán)境開發(fā)研究活動的不斷增多，人們對了解海底地形地貌的要求日益提高。如何去獲取更加詳細的海底地形地貌信息成了海上風電場測量中最重要的工作［3-5］。

傳統(tǒng)的水下地形測量方法（如測深桿法、測深錘法、回聲測深儀法、RTK測量）只能簡單獲取水深信息，對水下地形信息卻無能為力。單波束測深系統(tǒng)在一定程度上解決了水下地形測量問題，但在測量效率和精度上有較大的局限性，無法滿足當今的需求。近年來，多波束測深系統(tǒng)在海洋測量中逐漸受到高度重視，國內(nèi)外許多學者對此進行了深入研究，取得了一批顯著成果。隨著多波束測深系統(tǒng)應用范圍的不斷深入和擴展，其全覆蓋式測量、高效率、高密度采集、高分辨率和成果信息豐富［6］等特點被越來越多的同行所認同，應用也越來越廣泛。特別是在進行大面積的海上風電場海底地形測繪中具有極高的應用價值。我院作為國內(nèi)唯一獲得海洋工程勘察全部三個專業(yè)的甲級資質(zhì)的電力行業(yè)設計企業(yè)，擁有精良的海洋勘察設備和專業(yè)的技術服務團隊，截止2020年底，我院勘察團隊已完成30多個海上風電場項目勘察，勘察面積約1 500 km2，積累了豐富的海上風電勘察經(jīng)驗和技術。

本文以廣東某一海上浮式風電裝備研制項目為案例，詳細介紹了多波束測深系統(tǒng)在該項目的實施過程，對最終的測量成果進行精度分析，結(jié)果表明多波束測深系統(tǒng)在海上風電場地形測量中精度和效率更高，三維展示成果更加直觀。

1 多波束測深系統(tǒng)的工作原理和組成

1.1 工作原理

多波束測深系統(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，接收換能器接收窄波束，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當?shù)奶幚恚淮翁綔y就能給出與航向垂直的垂面上百個甚至更多的海底被測點的水深值［7］，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地繪出海底地形的三維特征［8-9］。

1.2 Reson SeaBat T50-P系統(tǒng)組成

SeaBat T50-P多波束測深系統(tǒng)是由丹麥RESON公司研制的一款便攜式多波束測深系統(tǒng)，具有大掃寬角度、波束數(shù)量多、工作頻率范圍大、測深分辨率高、高度集成、安裝便捷及作用方便等特點。系統(tǒng)主要由多波束聲學系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、外圍輔助設備和成果輸出系統(tǒng)組成。主要的設備包括：換能器及處理單元、POSMV慣導系統(tǒng)、聲速剖面儀、數(shù)據(jù)存儲設備、數(shù)據(jù)采集和處理軟件，系統(tǒng)主要設備見圖1。

Reson SeaBat T50-P多波束測深系統(tǒng)技術參數(shù)見表1。

2 工程實例

2.1 項目概況

圖1 SeaBat T50-P系統(tǒng)組成Fig.1 SeaBat T50-P system components

表1 多波束測深系統(tǒng)技術參數(shù)Tab.1 Technical parameters of multi-beam sounding system

廣東某一海上浮式風電裝備研制項目位于廣東省湛江市徐聞縣東側(cè)海域，場址中心坐標為北緯20.318°，東經(jīng)110.579°，面積約7.6 km2，場址中心離岸距離約13 km，水深32～78 m。本項目擬安裝1臺單機容量為5 MW風電機組，完成“海上浮式風電裝備研制”工程示范要求，并開發(fā)利用良好的風能資源，向電網(wǎng)提供清潔的可再生能源。通過資料收集，項目所在區(qū)域海底表層底質(zhì)以粉砂、細沙為主；同時項目地處北回歸線以南的低緯地帶，屬亞熱帶海洋性季風氣候，冬季NE－E風向較多，夏季ESE－SSE風向較多，多年月平均風速為2.4～3.5 m/s；年平均氣溫為24.5℃，潮汐類型為不正規(guī)半日混合潮；海水溫度最高值為30.86℃，最低海水溫度值為28.71℃。測區(qū)地理位置見圖2。

2.2 項目實施

2.2.1 測線布置

主測線沿測區(qū)南北走向布設，測線間距為100 m，保證多波束能全覆蓋掃測，且其有效條帶重合度大于條帶寬度的15%；檢測線垂直于主測線，檢測線間距為1 200 m，檢查線長度約占主測線數(shù)的7.5%，多于規(guī)范要求的5%要求。

圖2 測區(qū)地理位置圖Fig.2 Geographical location map of the survey area

2.2.2 聲速剖面測量

為了獲取高精度多波束水深數(shù)據(jù)，每日作業(yè)前、作業(yè)中、作業(yè)后在測區(qū)兩端與中央的水域測定聲速剖面，確保投放的單個聲速剖面儀投放位置控制范圍小于5 km，聲速剖面測量時間間隔小于6 h，測量的聲速剖面位置為附近水域最深水深，表面聲速變化大于2 m/s時重新測定聲速剖面。通過數(shù)日的實時監(jiān)測，作業(yè)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測的表面聲速約為1 530 m/s。聲速剖面曲線圖見圖3。

圖3 聲速剖面曲線Fig.3 Curve of sound velocity profile

2.2.3 潮位觀測

測區(qū)距離岸邊約13 km，水深測量時采用GPS RTK技術測量作業(yè)區(qū)域的水位變化，并根據(jù)實測的水面高數(shù)據(jù)生成當日的潮位文件，用于改正多波束水深測量值。

2.2.4 多波束安裝和調(diào)試

SeaBat T50-P多波束的換能器采用舷側(cè)安裝法安裝，裝在船中部牢固不活動的部位，此位置遠離船主機、泵和螺旋槳并有效避免勘察船搖擺及噪音干擾，其他儀器設備均安裝在其合適位置。POS MV定姿定位系統(tǒng)，IMU和換能器通過剛性連接安裝在一起。多波束安裝相對位置見圖4。

圖4 多波束安裝相對位置Fig.4 Multi-beam mounting relative position

設備安裝完畢后，對各設備的工作狀態(tài)進行調(diào)試，所有設備測試正常后才可進行下一步工作。

2.2.5 多波束校準

為了確定多波束換能器的初始安裝角度，需要進行多波束校準測量。在測區(qū)附近水域布設合適的測線，分別校正橫搖差（Roll）、縱搖差（Pitch）、艏搖差（Yaw）及船舶動吃水測定等項［10］，各校正參數(shù)按照相應的方法進行。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（Roll）：0.06°；縱搖（Pitch）：-0.77°；航向（Yaw）：0.06°。

根據(jù)校正結(jié)果對采集的4條測線數(shù)據(jù)進行Roll，Pitch，Yaw參數(shù)校正并進行數(shù)據(jù)合并檢驗，合并結(jié)果顯示測線之間拼接情況良好，因此，本次校正參數(shù)符合要求，可用于本次多波束正常作業(yè)波。多波束校正作業(yè)區(qū)域和測線見圖5。

2.2.6 多波束數(shù)據(jù)采集

多波束外業(yè)測量采集的數(shù)據(jù)主要包括GPS定位數(shù)據(jù)、多波束測深數(shù)據(jù)、光纖羅經(jīng)的羅經(jīng)姿態(tài)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測量的一些基本數(shù)據(jù)。外業(yè)采集數(shù)據(jù)時使用Sonar UI多波束控制軟件和PDSControl Center數(shù)據(jù)采集軟件，測量期間，每天觀察吃水變化，并量取變化值做好記錄，測量船作業(yè)時船速控制在5節(jié)左右，不大于6節(jié)，保證測量數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。測量過程嚴格按照操作說明作業(yè)，設備工作正常，軟件運行穩(wěn)定。多波束外業(yè)測量見圖6。

2.2.7 側(cè)掃聲吶障礙探測

圖5 多波束校正作業(yè)區(qū)域和測線Fig.5 Multi-beam calibration of operating areas and survey lines

圖6 多波束外業(yè)測量Fig.6 Multi-beam field survey

在調(diào)查中，側(cè)掃聲吶采用船舷拖拽方式，放纜長度約8 m。工作前，我們對側(cè)掃聲吶系統(tǒng)進行嚴格的狀態(tài)調(diào)試，調(diào)試的主要內(nèi)容包括：拖魚入水深度、側(cè)掃作業(yè)模式的選定、信號的發(fā)射與接收、增益、TVG調(diào)節(jié)等。側(cè)掃聲吶作業(yè)時船速控制在5節(jié)以內(nèi)，這樣既能保證質(zhì)量，又能提高作業(yè)效率。

3 數(shù)據(jù)處理

多波束數(shù)據(jù)處理采用CARISHIPS軟件，在處理前，檢查各傳感器的偏移量、系統(tǒng)校準參數(shù)等相關數(shù)據(jù)的準確性，基本的處理流程如下：

1）創(chuàng)建新項目，建立船型文件。

2）聲速文件的編輯，按CARIS要求的格式導入聲速數(shù)據(jù)。

3）潮位文件的編輯，按CARIS要求的格式導入潮位數(shù)據(jù)，潮時采用UTC標準時間。

4）將PDS數(shù)據(jù)導入Caris。

5）對數(shù)據(jù)進行潮位改正、聲速改正及Merge合并。

6）編輯水深數(shù)據(jù)，利用Caris軟件的Swath Editor、Subset Editor等編輯模塊對數(shù)據(jù)進行粗差剔除。

7）計算總傳播誤差，并建立實測地域圖（Field Sheets），然后采用CUBE加權平均算法建立加權平均水深數(shù)據(jù)曲面（Base Surface），該算法是當前最先進的半自動多波束數(shù)據(jù)處理方法。本工程建立了分辨率為1 m的水深曲面。

8）由CARISHIPS軟件輸出標準的ASCII文件格式，用于水深圖的繪制。多波束數(shù)據(jù)后處理流程見圖7。

圖7 多波束數(shù)據(jù)處理流程Fig.7 Multi-beam data processing

4 成果分析

利用Caris軟件根據(jù)以上數(shù)據(jù)處理流程，分別得到了測區(qū)內(nèi)1 m及5 m格網(wǎng)的數(shù)字高程模型見圖8。通過數(shù)字高程模型可以直觀地看出1 m格網(wǎng)比5 m格網(wǎng)的數(shù)字高程模型精細化程度高，更能清晰的表達地形地貌特征。海底地形主要以鏈狀沙坡地貌為主；但在測區(qū)的東側(cè)有一處凹坑，長約380 m，寬約110 m，最深處約89.2 m，海底有較多長短不一的沙波地貌，走向為東西方向，個別沙坡長約680 m，高差達15 m，最大坡度約為11°。整個區(qū)域的地形呈南高北低，部分斷面圖見圖9，三維效果圖見圖10。

圖8 數(shù)字高程模型Fig.8 Digital elevation model

圖9 斷面圖Fig.9 Profile

圖10 三維效果圖Fig.10 3D effect graphic

將Caris7.0數(shù)據(jù)處理完成后得到的XYZ成果，利用南方CASS軟件按1∶1 000比例尺繪制水深圖。按相應規(guī)范要求繪制各要素和標注形式，最終生成數(shù)字線劃圖見圖11。從數(shù)字線劃圖中等高線的稀疏密度可看出，在有沙坡的區(qū)域地形變化較明顯。

圖11 數(shù)字線劃圖Fig.11 Digital line graphic

通過SonarWiz.Map軟件對每條數(shù)據(jù)輸入位置偏移量進行改正，再進行數(shù)據(jù)的拼接，提取有利用價值的地物，對地物的尺寸、高度、屬性等進行解譯，處理完畢后輸出TIF圖形文件和地物分析報告。側(cè)掃聲吶障礙物探測結(jié)果見圖12。

圖12 側(cè)掃聲吶障礙物探測結(jié)果Fig.12 Obstacle detection results from side scan sonar

從側(cè)掃聲吶障礙物探測結(jié)果可以看出，該區(qū)域的地物主要是沙波地貌，期間沒有發(fā)現(xiàn)沉船、大礁石、管道等障礙物。

5 精度評定

十字交叉水深精度評估方法既是單波束測深的傳統(tǒng)水深精度評估方法，也是多波束測深的有效水深精度評估方法［11-13］。該方法考慮了多波束系統(tǒng)換能器、各傳感器的隨機誤差、系統(tǒng)誤差和換能器、各傳感器空間安裝的組合誤差，因此該方法是除沒有考慮水深系統(tǒng)誤差外的最為有效的水深精度評估方法。參照《海洋調(diào)查規(guī)范第10部分：海底地形地貌調(diào)查》（GB/T 12763.10—2007）規(guī)范及《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》（GB/T 24356—2009）［14-15］，利用主測線與檢測線重合點水深不符值，進行水深測量準確度估計［16］。本工程通過主測線和檢查線深度比對（檢查半徑為圖上1 mm），有效檢查水深點1 902個，精度對比情況見圖13。從表可知本次多波束測量精度滿足規(guī)范要求，成果質(zhì)量可靠。

圖13 精度對比情況Fig.13 Accuracy comparison

6 結(jié) 論

本文介紹了SeaBat T50-P多波束測深系統(tǒng)在海上風電項目中的具體應用，重點論述了多波束的測量原理及實施的關鍵步驟，并對測量成果的精度進行了詳細分析，表明SeaBat T50-P多波束測深系統(tǒng)在此次海上風電場地形測量中成果合格，質(zhì)量可靠，滿足工程的需要。

近年來，多波束測深的技術發(fā)展迅速，儀器結(jié)構(gòu)方面向更小的體積和重量、更高的集成度以及更靈活的安裝和維修方面發(fā)展。數(shù)據(jù)處理軟件更加自動化、智能化、精細化，圖像處理速度更快，功能更加完善以及成果表達更加豐富等方面發(fā)展。

隨著海上風電開發(fā)活動由近海向深海發(fā)展，多波束測深系統(tǒng)將成為深水區(qū)地形測量的主要技術手段，在海上風電開發(fā)活動中的將會發(fā)揮著越來越重要的作用，多波束測深系統(tǒng)在深水區(qū)地形測量的應用將會是我們一下步研究的重點方向。