王風(fēng)帆，馬永

（國(guó)家海洋信息中心，天津 300171）

海底地形是海洋科學(xué)研究、海洋工程和軍事應(yīng)用等方面的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開(kāi)展海底地形測(cè)量是海洋測(cè)繪的重要內(nèi)容[1-2]。多波束測(cè)深是當(dāng)下海底地形測(cè)量的主要手段之一，可以對(duì)海底實(shí)現(xiàn)全覆蓋測(cè)量[3]。目前，海上多波束測(cè)量的測(cè)線布設(shè)一般借助于ArcGIS、Global Mapper 等GIS 平臺(tái)[4-5]。由于這些平臺(tái)缺少針對(duì)性功能開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致操作效率不高，設(shè)計(jì)人員需要同時(shí)掌握兩個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與技術(shù)，提高了熟練進(jìn)行測(cè)線布設(shè)與修改的學(xué)習(xí)成本。

另外，在南北極等特殊區(qū)域，因常年漂浮海冰等障礙物[6-8]，在此區(qū)域開(kāi)展多波束測(cè)深存在一些特殊注意事項(xiàng)。例如在測(cè)量作業(yè)期間，因調(diào)查船躲避浮冰會(huì)導(dǎo)致測(cè)線出現(xiàn)大量彎曲；而船舶破冰產(chǎn)生的噪聲會(huì)造成波束腳印縮短，這些都會(huì)影響全覆蓋測(cè)量的實(shí)現(xiàn)。為了填補(bǔ)測(cè)量間隙，研究人員需要現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)多波束數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果進(jìn)行測(cè)線設(shè)計(jì)與修改。因此，開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)系統(tǒng)，提高測(cè)線布設(shè)效率具有重要意義。

本文首先根據(jù)極地海域多波束水深測(cè)量作業(yè)需求，開(kāi)展了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、架構(gòu)、功能設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，然后闡述了功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，最后選取區(qū)域進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)及討論。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)系統(tǒng)針對(duì)作業(yè)前實(shí)施方案編制和現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)測(cè)工作設(shè)計(jì)了兩種場(chǎng)景，主要功能包括測(cè)線、條幅的生成以及布設(shè)結(jié)果評(píng)價(jià)三個(gè)方面。測(cè)線生成主要分為根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)自動(dòng)生成和手動(dòng)設(shè)計(jì)兩種方式，分別對(duì)應(yīng)前面兩種場(chǎng)景；為了使生成條幅盡可能接近實(shí)際測(cè)量結(jié)果，提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，引入海底地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)等相關(guān)資料作為參考；對(duì)測(cè)量結(jié)果的評(píng)價(jià)需要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)[9]，并綜合考慮實(shí)際場(chǎng)景以及功能實(shí)現(xiàn)的難易度。

根據(jù)極地海域多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)實(shí)際需求，系統(tǒng)技術(shù)路線（圖1）設(shè)計(jì)如下：

圖1 技術(shù)路線

（1）輸入測(cè)區(qū)邊界點(diǎn)地理坐標(biāo)、多波束儀掃描開(kāi)角、條幅重疊率指標(biāo)等初始參數(shù)；確定測(cè)線方向，或者利用測(cè)區(qū)范圍內(nèi)國(guó)際公開(kāi)地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)（先驗(yàn)地形數(shù)據(jù)）計(jì)算獲得建議測(cè)線方向，后者主要用于主測(cè)線設(shè)計(jì)。

（2）針對(duì)主測(cè)線設(shè)計(jì)，根據(jù)步驟（1）參數(shù)，結(jié)合先驗(yàn)地形數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成測(cè)線；針對(duì)檢查測(cè)線設(shè)計(jì)，通過(guò)輸入測(cè)線間隔自動(dòng)生成測(cè)線；針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)漏測(cè)線設(shè)計(jì)，通過(guò)手動(dòng)設(shè)計(jì)方式生成測(cè)線。

（3）結(jié)合先驗(yàn)地形數(shù)據(jù)，沿測(cè)線生成多波束測(cè)量條幅多邊形。

（4）利用主測(cè)線、檢查測(cè)線和補(bǔ)漏測(cè)線的條幅多邊形以及測(cè)區(qū)坐標(biāo)參數(shù)，統(tǒng)計(jì)總覆蓋率和主測(cè)線條幅重疊率等指標(biāo)，并通過(guò)可視化技術(shù)展示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)使用Python 語(yǔ)言以及numpy、matplotlib、scipy、shapely、gdal等第三方函數(shù)庫(kù)，以PyCharm為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用分層模式進(jìn)行架構(gòu)[10]（圖2），包括數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表示層。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層：包括支撐系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（先驗(yàn)地形數(shù)據(jù)等）和系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，例如測(cè)線、條幅等。

（2）應(yīng)用層：提供系統(tǒng)各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)各種操作，包括參數(shù)推薦、測(cè)線生成、條幅制作、結(jié)果評(píng)價(jià)等。

（3）表示層：為用戶提供交互界面，可輸入各項(xiàng)參數(shù)、顯示設(shè)計(jì)過(guò)程與結(jié)果、手動(dòng)點(diǎn)擊生成測(cè)線，以及導(dǎo)入測(cè)線數(shù)據(jù)等。

1.3 主要功能

（1）建議測(cè)線方向計(jì)算

利用測(cè)區(qū)坐標(biāo)參數(shù)，制作測(cè)區(qū)多邊形（可以是非矩形）。選用IBCAO 等國(guó)際公開(kāi)地形網(wǎng)格[11-12]數(shù)據(jù)源作為先驗(yàn)地形數(shù)據(jù)，利用測(cè)區(qū)多邊形進(jìn)行裁剪，獲得測(cè)區(qū)內(nèi)地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)。生成等深線，計(jì)算等深線走向，以獲得的所有等深線走向平均數(shù)作為測(cè)線走向建議值。

（2）測(cè)線生成

測(cè)線自動(dòng)生成包括自動(dòng)測(cè)線間隔與固定測(cè)線間隔兩種方式。前者以滿足條幅重疊率指標(biāo)為目標(biāo)，通過(guò)腳印估計(jì)的方式保證測(cè)線間條幅重疊率大致達(dá)到指標(biāo)要求，這里需要用到先驗(yàn)地形數(shù)據(jù)、多波束開(kāi)角等；后者則以滿足測(cè)線間距要求為目標(biāo)，固定測(cè)線之間距離，生成均勻排布的測(cè)線。

手動(dòng)設(shè)計(jì)方式則是通過(guò)人機(jī)互動(dòng)方式，手動(dòng)點(diǎn)擊測(cè)區(qū)內(nèi)位置生成測(cè)點(diǎn)，依次連接測(cè)點(diǎn)形成測(cè)線。

（3）條幅制作

輸入測(cè)線數(shù)據(jù)，包括自動(dòng)生成測(cè)線和手動(dòng)生成測(cè)線。利用先驗(yàn)地形網(wǎng)格獲得沿測(cè)線水深，結(jié)合多波束開(kāi)角等信息計(jì)算多波束腳印，利用腳印端點(diǎn)坐標(biāo)生成條幅多邊形。

另外，為了進(jìn)一步滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)還需能夠?qū)氍F(xiàn)場(chǎng)多波束數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并形成覆蓋區(qū)域多邊形，用于現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)漏設(shè)計(jì)參考及結(jié)果評(píng)價(jià)。

（4）結(jié)果評(píng)價(jià)

統(tǒng)計(jì)并檢查測(cè)線總長(zhǎng)度，計(jì)算設(shè)計(jì)測(cè)線形成的總覆蓋率和條幅重疊率[9]。利用測(cè)區(qū)參數(shù)和條幅多邊形，計(jì)算測(cè)量覆蓋面積與測(cè)區(qū)面積之比，作為總覆蓋率。條幅重疊率主要針對(duì)主測(cè)線，統(tǒng)計(jì)相鄰測(cè)線重疊區(qū)域?qū)挾扰c測(cè)線間距之比的平均值，即平均條幅重疊率γ：

式中：Li為采樣點(diǎn)處測(cè)線間條幅重疊的寬度，Di為采樣點(diǎn)處測(cè)線間距，n為采樣點(diǎn)數(shù)。

測(cè)線間條幅重疊率可通過(guò)可視化手段盡可能展示相關(guān)信息，低于預(yù)設(shè)指標(biāo)的重疊區(qū)域可在圖中突出顯示。

（5）測(cè)線導(dǎo)出

完成設(shè)計(jì)后，將形成測(cè)線導(dǎo)出為shp 格式或者文本文件等多種形式，前者主要用于同其他制圖軟件配合，方便于方案圖件制作，后者是為了作業(yè)導(dǎo)航，用于與調(diào)查船導(dǎo)航系統(tǒng)配合。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 測(cè)線自動(dòng)生成

系統(tǒng)測(cè)線自動(dòng)生成功能有兩種方式：測(cè)線自動(dòng)排布與固定間隔排布。二者主要區(qū)別在于測(cè)線間隔的確定方法，主測(cè)線排布需要滿足條幅重疊率指標(biāo)的要求[9]，特別是在地形變化比較劇烈的區(qū)域，如果采用等間隔測(cè)線容易造成成本與標(biāo)準(zhǔn)之間的矛盾，間隔太大容易造成重疊率不達(dá)標(biāo)，甚至出現(xiàn)呈帶狀的測(cè)量間隙，間隔太小會(huì)導(dǎo)致工作量太大，成本太高，手工設(shè)計(jì)比較耗時(shí)，因此需要進(jìn)行測(cè)線間隔的自動(dòng)判斷，以提供最為合適的測(cè)線布設(shè)方案。而檢查測(cè)線沒(méi)有條帶覆蓋率的要求，因此可以采用效率較高的固定間隔方式生成。

（1）測(cè)線自動(dòng)排布

測(cè)線走向確定后，再確定測(cè)線通過(guò)的一點(diǎn)即可生成一條直線，然后利用測(cè)區(qū)多邊形對(duì)直線切割即可得到測(cè)線（圖3）。

圖3 測(cè)線自動(dòng)排布原理圖

這里為了便于實(shí)現(xiàn)，首先將測(cè)區(qū)多邊形簡(jiǎn)化為矩形，然后在一條通過(guò)矩形頂點(diǎn)并與測(cè)線垂直的線段上確定測(cè)線點(diǎn)，這條線段稱(chēng)為參考線。

通過(guò)插值獲取參考線上的水深，然后利用式（2）計(jì)算各水深點(diǎn)的單側(cè)腳印寬度W。

式中：θ為多波束開(kāi)角，H為水深。

最后在測(cè)線上依次確定滿足條幅重疊率[9]的最遠(yuǎn)的點(diǎn)，作為測(cè)線點(diǎn)。

（2）固定間隔排布

與測(cè)線自動(dòng)排布方法類(lèi)似，區(qū)別在于參考線改為簡(jiǎn)化矩形的對(duì)角線。在輸入固定的測(cè)線間隔后，以一定間隔在參考線上進(jìn)行測(cè)線點(diǎn)的排布。

最后，根據(jù)測(cè)線走向和錨定的點(diǎn)生成直線，再利用測(cè)區(qū)邊界多邊形進(jìn)行切割，獲得測(cè)線。

2.2 條幅制作

輸入測(cè)線，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ineString 格式，利用先驗(yàn)地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)，插值獲取測(cè)線上的水深信息，結(jié)合多波束儀開(kāi)角，利用式（1）計(jì)算垂直測(cè)線方向的腳印長(zhǎng)度，進(jìn)而獲得腳印端點(diǎn)坐標(biāo)，順時(shí)針依次連接測(cè)線兩側(cè)腳印端點(diǎn)，獲取條幅多邊形。

輸入的多波束預(yù)處理數(shù)據(jù)一般是geotiff 格式，利用gdal庫(kù)解析，獲取坐標(biāo)、投影、水深等信息，進(jìn)而獲取測(cè)量空白的位置，并生成覆蓋區(qū)域多邊形，用于補(bǔ)漏測(cè)線設(shè)計(jì)及結(jié)果評(píng)價(jià)。

2.3 信息統(tǒng)計(jì)

結(jié)果評(píng)價(jià)功能中，比較關(guān)鍵的是根據(jù)測(cè)區(qū)、條幅和多波束覆蓋等形成的多邊形對(duì)總覆蓋率和條幅重疊率進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)《海洋多波束水深測(cè)量規(guī)程》（DZT 0292-2016），多波束測(cè)深需滿足全覆蓋測(cè)量及達(dá)到一定的條幅重疊率。融合條幅獲取總覆蓋多邊形，該多邊形面積與測(cè)區(qū)面積之比達(dá)到100%即為全覆蓋測(cè)量。在前期設(shè)計(jì)階段，計(jì)算總覆蓋率所用到的主要是主測(cè)線和檢查測(cè)線條幅多邊形的融合結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)階段用到的主要是現(xiàn)場(chǎng)處理結(jié)果所形成的多邊形與檢查測(cè)線條幅多邊形的融合結(jié)果。

條幅重疊率按照規(guī)程為重疊寬度與測(cè)線間距的百分比，應(yīng)用于對(duì)主測(cè)線設(shè)計(jì)的評(píng)估。系統(tǒng)采用可視化手段，對(duì)測(cè)線間條幅重疊率進(jìn)行展示，方便設(shè)計(jì)者直觀評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果。受地形變化影響，條幅一般不是規(guī)則矩形，測(cè)線間的條幅重疊率是變化的，因此采用重疊率平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差作為評(píng)價(jià)依據(jù)。

3 實(shí)現(xiàn)效果

（1）前期方案設(shè)計(jì)

選取某一海區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)（圖4），測(cè)區(qū)形狀根據(jù)地形大致走向設(shè)計(jì)為平行四邊形，截取區(qū)域內(nèi)水深網(wǎng)格數(shù)據(jù)，計(jì)算得到建議主測(cè)線布設(shè)方向?yàn)?18.7°。設(shè)置條幅重疊率指標(biāo)為10%。

圖4 方案設(shè)計(jì)主測(cè)線與檢查測(cè)線

通過(guò)自動(dòng)測(cè)線排布生成主測(cè)線（圖4 中藍(lán)色線），通過(guò)固定間隔排布（24 km）生成檢查測(cè)線（圖4 中黑色線）。利用條幅制作功能生成主測(cè)線條幅（圖4中黃色條帶）與檢查測(cè)線條幅（圖4中綠色條帶），其中，黃色條帶間加深部分為條幅重疊區(qū)域。最后利用測(cè)線評(píng)估得到總覆蓋率（98%）和測(cè)線間條幅重疊率（圖5）。

圖5 方案設(shè)計(jì)主測(cè)線間條幅重疊率

可以看出，總覆蓋率基本能夠滿足全覆蓋要求，但也存在一些小的空白區(qū)域。而在實(shí)際測(cè)量中，調(diào)查船改換測(cè)線時(shí)這些區(qū)域順便就被覆蓋掉，因此影響不大。相鄰測(cè)線間平均條幅重疊率存在大于20%的情況，這是由于部分測(cè)線上水深變化較大引起的，這一點(diǎn)可以從圖5 中的標(biāo)準(zhǔn)差看出，但考慮到實(shí)際測(cè)量中調(diào)查船航跡存在不可避免的彎曲，相較而言對(duì)結(jié)果的影響不會(huì)很顯著。

（2）補(bǔ)漏測(cè)線設(shè)計(jì)

利用歷史多波束測(cè)量處理數(shù)據(jù)，生成多波束覆蓋區(qū)域圖（圖6），現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)為了躲避海冰等障礙物，測(cè)量產(chǎn)生了許多空白區(qū)域。通過(guò)點(diǎn)擊方式設(shè)計(jì)4 條補(bǔ)漏測(cè)線（圖7 中藍(lán)色線），繼而生成條幅多邊形（圖7 中黃色條帶），可以直觀看到測(cè)線條幅已基本將空白區(qū)域覆蓋掉，最后利用評(píng)價(jià)功能計(jì)算總覆蓋率為99.7%，基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)處理多波束數(shù)據(jù)（白色區(qū)域?yàn)槁y(cè)區(qū)域）

圖7 補(bǔ)漏測(cè)線設(shè)計(jì)

試驗(yàn)證明，多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)系統(tǒng)可以方便、高效地設(shè)計(jì)出多波束測(cè)線，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，可應(yīng)用于前期與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)等場(chǎng)景。系統(tǒng)還將繼續(xù)在諸多地方進(jìn)行改進(jìn)，以期為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)功能齊全、使用方便的多波束測(cè)量測(cè)線設(shè)計(jì)工具。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)極地海域多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析探討，最后利用實(shí)際資料進(jìn)行試驗(yàn)與討論。研究結(jié)果表明：

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)明確，架構(gòu)簡(jiǎn)捷有效，可方便用于系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)，與用戶交互友好，設(shè)計(jì)人員上手難度小，適用于多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)。

（2）測(cè)線自動(dòng)生成技術(shù)可快速、有效生成測(cè)線，制作條幅與可視化展示便于結(jié)果評(píng)價(jià)、信息統(tǒng)計(jì)對(duì)標(biāo)相關(guān)規(guī)程，并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)測(cè)場(chǎng)景開(kāi)展了實(shí)用設(shè)計(jì)，方便高效。

（3）為進(jìn)一步滿足多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)實(shí)際需求，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行界面化設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步提升兼容性與擴(kuò)展性，考慮繼續(xù)優(yōu)化測(cè)線生成與腳印預(yù)測(cè)功能，增加外部測(cè)線輸入等功能，不斷提高系統(tǒng)的可用性。