多波束測深系統在海洋航道測量中的應用研究

趙陽

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.051

摘 要：該文基于筆者從事多波束測深的相關工作經驗，以多波束測深系統在海洋航道測量應用為研究對象，論文首先探討了多波束測深系統的組成，進而以多波束測深系統用于航道管理為任務背景，詳細研究分析了多波束測深系統測量應用流程和監測結果。

關鍵詞：多波束 測深 海洋 航道 監測

中圖分類號：P229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（c）-0051-02

1 多波束水下測深系統

1.1 多波束測深系統的組成

多波束測深技術是現代水下探測領域的新興技術，它集成了現代空間測控技術、聲吶技術、計算機技術、信息處理技術等一系列高新技術，實現了對水下探測目標的高精度和高密度測量。該文用到的SeaBat 8101是目前世界上最先進、精度最高的多波束測深系統之一，它主要由OCTANS光纖羅經和運動傳感器、聲速剖面儀、側掃圖像處理系統、多波束數據后處理系統（CARIS HIPS后處理軟件）、QTC Multiview底質分類系統等共同組成。整個系統的組成見圖1。

1.2 系統特點

（1）SeaBat 8101以帶狀方式進行測量，波束連續發射和接收，測量覆蓋程度高，對水下地形可100%覆蓋。與單波束比較，波束角窄，能夠完全反映細微地形的變化。單波束是點、線的反映，而多波束則是面上的整體反映。多波束測深系統的測量成果更真實可靠，由于是全覆蓋，其大量的水深點數據使等值線生成真實可靠； 而單波束是將斷面數據進行摘錄成圖以插補方式生成等值線，在數據采集不夠時，等值線會存在一定偏差。

（2）SeaBat 8101條帶覆蓋寬度210°，波束大小為1.5°×1.5°，波束數目為101個，測深分辨率為1.25 cm。波束后向散射強度圖像和檢測到的距河床底距離實時顯示在聲吶監視器上，且便于快速質量檢查。

（3）眾所周知，測量船只的運動姿態對水下測量的數據影響很大，多波束測深系統在測量前和測量時，光纖羅經和運動傳感器實時采集船行姿態數據，PDS2000采集軟件同步記錄船姿態信息，并對船行姿態進行實時校正，進而保證后處理中的水深測量數據能夠真實有效地反映水底情況，而單波束在這方面是無法實現的。

（4）CARIS HIPS后處理軟件功能強大，可以根據需要抽取不同比例尺的數據成圖，生成的圖件類型有：測深數據圖；水深等值線圖；三維數字地形模型（DTM）圖；彩色水深圖；彩色地形陰影圖以及質量控制報告等。

2 多波束測深系統應用于量化監測

在數據處理方面，傳統的處理方法是通過構建Delauny三角網或Grid規則格網來形成水下的DTM，再通過分塊處理、四叉樹索引來達到水下地形多尺度LOD顯示的效果。但是針對區域量化監測而言，其核心思想并不是可視化，而是周期性地監測變化情況，同時考慮到水下地形數據具有多樣性、海量性、復雜性等特點以及提高計算效率減少計算機功耗等目的，該文采用對離散點云數據進行插值擬合而非構建DTM的方法來處理不同時間采集的多波束水下地形數據，能夠保證有足夠的水深值來進行數據插值，保證結果的正確性且不失真。在此基礎上，對擬合曲面進行求差計算，從而得出階段時間內的變化量。數據分析處理流程見圖2。

采集得到的這些多波束點云數據屬于大規模離散數據的一種，在這些海量的點云數據當中，偶有臨近點間的高程突變（局部不連續），但根據水下地形的特點分析，這些水下高程點的突變一般不是由水下地形的陡然起伏所造成，更為可能的是測量時產生噪聲點或無效數據點，需要通過濾波處理去掉無效點。

經過濾波后的離散數據點的曲面重建一直以來是函數逼近論的一個重要研究內容。近幾年來，隨著計算機輔助設計與圖形學的發展，離散數據的曲面重建技術得到了廣泛的研究和應用，離散數據擬合或插值是用一個光滑的曲面或通過一系列無規則的抽樣數據來逼近。

該方法十分靈活并且精度較高，計算簡單，不需要很大的計算機內存。算法選取離散分布的數據點時，一般考慮2個因素：（1）范圍，即采用多大面積范圍內的數據點來計算被插點的數值；（2）點數，即選取多少點參加計算被插補的點。這2個因素的實際應用要根據具體情況而定。范圍的大小是以某個被插值點為圓心，以R為半徑來確定的。其半徑決定與原始數據點的疏密程度和原始數據點可能影響的范圍。由于原始數據點分布不均勻，為了保證求解二次曲面方程，要有足夠數量的點，但又不能太多，因此圓半徑不是固定的。對于動態變化的圓半徑的決定，可以采用逐步變動的做法。

將研究河段內水下地形表面上一系列離散的數據點轉化成規則網格分布的連續函數，采用規則圓方法，拾取規格化節點臨域范圍內掃測值進行擬合計算。對于每一個新點選取其鄰近的 n 個數據點。把新點作為平面坐標的原點，然后用一個多項式曲面擬合。多項式中的各參數由n個數據點求得。

3 航道管理量化監測的應用工程實例

按照此技術路線于2013年4月25日和2014年4月27日兩次分別進行了分階段的測量，前次測量時水面高程為24.247 m；后次測量時水面高程為21.978 m。兩次測量的目的，就是為了得到階段時間內的動態變形情況。

按照上述方法分別擬合插值兩次測量得到的多波束數據，并采取俯視的角度進行比較。截取圖3中深色區域的斷面進行分析，如圖4所示。

4 結語

多波束測深系統廣泛應用于堤防、水庫、湖泊及海洋等水域的水下地形測量，進行水下工程及其水工建筑物的安全檢測（如拋石護岸等）；河道疏浚及港口、碼頭、橋梁的工程測量；水下管線、電纜等的監測；沉船、水下物體的打撈搜尋等。這套系統的測量效益、實用性和廣闊的應用前景將進一步顯現。

參考文獻

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