祝慧敏

（江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210024）

0.引言

目前海洋基礎(chǔ)建設(shè)是海洋資源開發(fā)的重要方向，海洋基礎(chǔ)建設(shè)主要包括了海上風(fēng)電系統(tǒng)、海上路由平臺(tái)建設(shè)、海底電纜建設(shè)、海底管線建設(shè)、海洋鉆探等，水下地形地貌的精準(zhǔn)詳細(xì)繪制是各類項(xiàng)目工程的建設(shè)基礎(chǔ)，為詳細(xì)了解海洋環(huán)境，準(zhǔn)確獲取海洋地形地貌，通常采用多波束測深技術(shù)[1]。多波束測深技術(shù)基于單頻測深系統(tǒng)的回聲探測原理，在傳統(tǒng)單波束的基礎(chǔ)上多波束測深技術(shù)融入了自動(dòng)化成圖、數(shù)字化記錄、GNSS定位技術(shù)，與傳統(tǒng)單波束技術(shù)相比探測面積大、分辨率高、工作效率更快，可進(jìn)行條帶覆蓋式測量，突破了傳統(tǒng)的點(diǎn)、線測量，實(shí)現(xiàn)了水下測量?，F(xiàn)階段多波束測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用在海底管道檢測、碼頭建設(shè)、水庫測量、水文測量、河道疏浚以及海洋資源調(diào)查、海洋環(huán)境檢查、水下打撈救援等多個(gè)領(lǐng)域。

多波束測深系統(tǒng)可快速獲取大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，目前，一條測量帶即可獲取超十萬個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，針對如此龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)必然存在大量的噪聲數(shù)據(jù)，對地貌地物識(shí)別提高了難度。在考慮聲速剖面、聲納參數(shù)以及實(shí)時(shí)海況等客觀因素影響的情況下，有效的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)則會(huì)更少，反而噪聲數(shù)據(jù)更多，為準(zhǔn)確詳細(xì)地獲取水下地形地貌，需要對多波束測深系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。由于受到海洋多徑效應(yīng)、實(shí)時(shí)海況等因素影響傳統(tǒng)的濾波影響，為此本文選擇具有魯棒性的空間自適應(yīng)波束形成算法進(jìn)行濾波處理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與其他濾波方法進(jìn)行了對比分析。

1.多波束測深系統(tǒng)原理

1.1 多波束測深系統(tǒng)工作原理

多波束測深系統(tǒng)利用換能器通過聲信號(hào)發(fā)射扇形陣列，信號(hào)發(fā)射后經(jīng)海底反射，可通過換能器接收窄波束內(nèi)的散射信號(hào)，在換能器接收回波信號(hào)時(shí)，接收陣列會(huì)同步記錄時(shí)間和回波角度。在此過程中聲信號(hào)會(huì)在海底會(huì)形成一塊矩形投影，通過聲信號(hào)投影以及其他參數(shù)進(jìn)行測深計(jì)算，通過測深值反向推導(dǎo)水下相應(yīng)位置的高低，構(gòu)建海底模型，獲取水下地形地貌（如圖1所示）。與單波束相比，多波束進(jìn)行了技術(shù)突破，利用主動(dòng)聲吶系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)同步多個(gè)相鄰窄波束的獲取，測量過程中實(shí)現(xiàn)了帶狀覆蓋測深，在帶狀區(qū)域內(nèi)可進(jìn)行多點(diǎn)測深，從單波束的“點(diǎn)-線”測深跨越實(shí)現(xiàn)了“線-面”測深。

圖1 多波束測深原理圖

1.2 多波束測深系統(tǒng)組成

多波束測深系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組合的高度集成系統(tǒng)，主要包含了具有發(fā)射接收聲信號(hào)的換能器陣列，記錄軌跡形態(tài)的姿態(tài)傳感器、深度傳感器、導(dǎo)航傳感器，聲速探測的聲速剖面儀，記錄實(shí)時(shí)位置的導(dǎo)航傳感器以及各類信息數(shù)字化處理設(shè)備。根據(jù)各子系統(tǒng)的不同特點(diǎn)大致可分為三類[2]：多波束聲學(xué)單元、多波束輔助系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（如圖2所示）：

圖2 多波束測深系統(tǒng)組成

（1）多波束聲學(xué)單元：包括換能器和聲波信號(hào)控制設(shè)備，換能器主要負(fù)責(zé)聲波波束的發(fā)射與接收，聲波信號(hào)控制設(shè)備主要負(fù)責(zé)將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并記錄聲波波束收發(fā)時(shí)間并進(jìn)行距離計(jì)算。

（2）多波束輔助系統(tǒng)：包括GPS、電羅經(jīng)等實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航設(shè)備，用于位姿記錄的姿態(tài)傳感器，用于聲速測量的聲速剖面儀以及驗(yàn)潮儀等。

（3）計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：包括用于多波束數(shù)據(jù)控制處理的軟硬件設(shè)備、進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步展示的顯示設(shè)備以及數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、輸出設(shè)備。

1.3 多波束測深誤差分析

多波束是由多個(gè)單元組合后構(gòu)成的復(fù)雜多元系統(tǒng)，同時(shí)在設(shè)備安裝過程中容易發(fā)生安裝位置精準(zhǔn)度不夠、數(shù)據(jù)采集過程中設(shè)備松動(dòng)等問題，因此在利用多波束測深進(jìn)行水下數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種誤差，其中粗差和系統(tǒng)誤差對數(shù)據(jù)質(zhì)量影響較為嚴(yán)重。為降低誤差對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，提高測量精度，需進(jìn)行誤差校正處理。

2.多波束測深系統(tǒng)誤差處理

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的多波束濾波方法算法簡單，對于密度較低的噪聲濾波效果較好，但存在自動(dòng)化程度低、對于密度較大的噪聲識(shí)別效果差、邊界噪聲區(qū)分不明顯等問題。本文選擇采用基于趨勢面的多波束濾波方法，該方法在原有的統(tǒng)計(jì)學(xué)濾波的基礎(chǔ)上融合數(shù)據(jù)空間分布關(guān)系算法，被廣泛應(yīng)用于多波束點(diǎn)云濾波處理中。

為解決復(fù)雜的水下地形濾波問題，可以在傳統(tǒng)趨勢面濾波法基礎(chǔ)上，引入基于K-D樹索引的空間自適應(yīng)趨勢面濾波算法。該方法首先對測深數(shù)據(jù)進(jìn)行了分塊處理，細(xì)化原始測深數(shù)據(jù)，單獨(dú)對每個(gè)趨勢面進(jìn)行濾波，有效地解決了復(fù)雜地形多變的問題，同時(shí)提高了異常數(shù)據(jù)檢測的能力，濾波數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

算法首先建立三維點(diǎn)云的K-D樹索引，然后確定目標(biāo)點(diǎn)的鄰域信息，在利用鄰域信息進(jìn)行趨勢面擬合的同時(shí)，對鄰域內(nèi)測深點(diǎn)的真實(shí)測量值與該點(diǎn)的趨勢面擬合值之間的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。當(dāng)測深點(diǎn)的深度值與該點(diǎn)的趨勢面擬合值之差在標(biāo)準(zhǔn)范圍之外時(shí)，將該點(diǎn)定義為粗差予以剔除。完成上述步驟之后，轉(zhuǎn)到下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)再次進(jìn)行趨勢面檢測，直到點(diǎn)云集中所有數(shù)據(jù)均通過趨勢面檢測[3]。

3.水下地形測量實(shí)施

結(jié)合具體工程項(xiàng)目對空間自適應(yīng)趨勢面法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，利用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形探測時(shí)，為保障數(shù)據(jù)質(zhì)量，首先應(yīng)進(jìn)行事前質(zhì)量控制，具體質(zhì)量要求包括[4]：導(dǎo)航定位誤差距離范圍需控制在兩個(gè)波束間；測深系統(tǒng)各項(xiàng)誤差源提出具體控制范圍；測線布設(shè)及覆蓋率需指定具體指標(biāo)；考慮天氣情況及實(shí)時(shí)海況。具體工作路線（如圖3所示）：

圖3 多波束水下地形測量技術(shù)路線

3.1 測線布設(shè)

主測線布設(shè)：主測線采用平行于等深線走向布設(shè)并盡量兼顧測區(qū)長軸方向，相鄰條幅的重疊率一般不低于15%。實(shí)測過程中，如果局部因水底起伏較大而設(shè)計(jì)測線達(dá)不到全覆蓋時(shí)，應(yīng)現(xiàn)場加密測線。檢查線布設(shè)：垂直于主測線分布均勻，確保能普遍檢查主測線；長度不小于主測線長度的5%。

3.2 安裝校準(zhǔn)

為保障多波束測深系統(tǒng)測量精度，獲取換能器初始安裝角度，消除系統(tǒng)安裝誤差，根據(jù)《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)范要求，需要對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)?？紤]實(shí)際安裝過程中，換能器的各軸線位置存在一定的偏差，不能夠完全保持平行，需要對偏差角度進(jìn)行測量，具體校準(zhǔn)參數(shù)包括橫搖差（Roll）、縱搖差（Pitch）、艏搖差（Yaw）及船舶動(dòng)吃水測定等，具體方法如下：

Roll、Pitch檢校：在測區(qū)附件選取地形較平坦區(qū)域，在同一條測線上，以相同的船速進(jìn)行往返測量，在軟件中輸入同一位置垂直航跡的地形剖面，計(jì)算各剖面線位置橫搖、縱搖偏差值，取多組偏差值的平均值作為橫搖、縱搖校準(zhǔn)值。

Yaw檢校：在檢驗(yàn)測區(qū)范圍內(nèi)選擇參考點(diǎn)，參考點(diǎn)應(yīng)較為明顯，在參考點(diǎn)兩側(cè)以相同船速同向進(jìn)行測量，通過參考點(diǎn)向兩側(cè)測線作一條垂線，為了實(shí)現(xiàn)重合需改變艏向角度偏移量，從而計(jì)算艏向殘差改正值。

利用軟件求得橫搖（Roll）改正值：0.17°；縱搖（Pitch）：1.26°；艏搖（Yaw）：3.15°。

3.3 聲速剖面測量

聲速剖面精度對多波束測深結(jié)果有著重要影響，在數(shù)據(jù)采集過程中，每次作業(yè)的前、中、后三個(gè)階段都需要在測區(qū)兩側(cè)與中間位置進(jìn)行聲速剖面測量。具體要求有：單個(gè)聲速剖面儀所在位置的控制范圍應(yīng)小于5km；測量時(shí)間間隔應(yīng)小于6h；當(dāng)測區(qū)范圍內(nèi)水域深度較深時(shí)，表面聲速變化超過2m/s時(shí)應(yīng)重新進(jìn)行聲速剖面測量。聲速剖面測量的計(jì)算方法如下：投擲的位置選取需結(jié)合水深分色圖，在水深較大、聲速變化明顯的位置進(jìn)行投擲聲剖儀；聲剖儀的投擲需結(jié)合實(shí)際，合理控制下放速度，避免聲剖儀進(jìn)入淤泥；在進(jìn)行聲剖儀數(shù)據(jù)處理時(shí)，需結(jié)合軟件進(jìn)行聲線彎曲修正。

4.質(zhì)量分析

4.1 多波束測深數(shù)據(jù)預(yù)處理

為驗(yàn)證空間自適應(yīng)濾波算法的合理性和精確性，可利用軟件對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體流程如下：

（1）檢查各項(xiàng)參數(shù)，包括各項(xiàng)校準(zhǔn)參數(shù)、各傳感器參數(shù)；

（2）使用軟件創(chuàng)建項(xiàng)目-建立船型文件，根據(jù)相關(guān)格式標(biāo)準(zhǔn)，分別導(dǎo)入聲速數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)；

（3）將采集的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中；

（4）對數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位改正、聲速改正及合并；

（5）結(jié)合軟件編輯功能對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對粗差進(jìn)行剔除；

（6）多波束數(shù)據(jù)處理軟件具備半自動(dòng)多波束濾波功能，其最佳分辨率可到達(dá)1m。利用軟件建立實(shí)測地域圖（Field Sheets），結(jié)合CUBE（Combined Uncertainty and Bathymetry Estimator）加權(quán)平均算法建立加權(quán)平均水深數(shù)據(jù)曲面（Base Surface），實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)濾波處理，導(dǎo)出相應(yīng)文件格式后即可用于水深圖的繪制。

4.2 數(shù)據(jù)分析

通過軟件對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，分別采用軟件自帶的CUBE加權(quán)平均算法、傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波方法和改進(jìn)后的空間自適應(yīng)濾波方法對同一組多波束測深數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，針對其濾波處理后水深測量精度進(jìn)行了分析，結(jié)果（如表1所示）：

表1 水深測量精度具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：在水下地形測量中，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的多波束測深系統(tǒng)方法，平均水深測量精度最高可達(dá)95.4%，整體水深測量精度最高，實(shí)現(xiàn)了水深測量精的提升。

5.結(jié)束語

多波束測深系統(tǒng)在水下地形測量的應(yīng)用取得了較好的效果，但也存在一系列問題。本文從多波束測深系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成出發(fā)，詳細(xì)介紹了多波束測深系統(tǒng)水下地形測量的技術(shù)流程，重點(diǎn)介紹了多波束設(shè)備安裝的技術(shù)要點(diǎn)、設(shè)備校準(zhǔn)方法、測線布設(shè)要求以及聲剖測量方法。

針對多波束測深系統(tǒng)的誤差來源進(jìn)行了詳細(xì)分析，在多波束測深系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，受水下復(fù)雜環(huán)境影響，易產(chǎn)生大量噪聲的問題，選擇了自適應(yīng)趨勢面濾波法進(jìn)行噪聲濾波處理，并對其算法原理和具體流程進(jìn)行了詳細(xì)論述，結(jié)合實(shí)際工作，對其進(jìn)行了精度驗(yàn)證。