粵東水域定線制中海洋測繪技術的研究應用

◎ 曹敬濤 何邦濤 李海鵬 廣州海事測繪中心

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粵東水域定線制中海洋測繪技術的研究應用

◎ 曹敬濤 何邦濤 李海鵬 廣州海事測繪中心

摘 要：介紹在粵東定線制水域掃測工作中，大范圍海域潮位控制的方法，結合實際應用探討多種測繪設備和技術的綜合應用研究，既提高了工作效率，又逐漸形成了完善的工作流程和技術標準。對該水域定線制海底地形地貌、潮汐、流速流向等地理信息基礎數據的采集、分析、研究，不但為船舶航行提供安全保障，也為海上救助打撈、海洋管理、合理規劃航線、海洋勘探等活動的開展提供支持。

關鍵詞：船舶定線制 潮汐控制 CUBE數據處理 障礙物探測

1.引言

船舶定線制是指由岸基部門用法律規定或推薦形式指定船舶在水上某些區域航行時所遵循或采用的航線、航路或通航分道的一種制度，是水上交通繁忙區域實施有效交通管理的主要手段，是對航路合理規劃、有效利用的重要方法，代表著水上船舶航行秩序管理的發展方向。

交通運輸部根據國際海事組織推薦的船舶定線標準，在南澎列島和石碑山附近海域規劃實施的定線制，旨在改善粵東水域交通安全形勢，規范船舶航行行為，保障船舶航行安全，減少船舶交通事故的發生。

2.概述

2.1任務來源

根據《中華人民共和國海事局關于印發2014年海事測繪計劃的通知》（海航保【2014】154號）文件和《中華人民共和國海事局關于印發2015年海事測繪計劃的通知》（海航保【2015】149號）文件的有關要求，由廣州海事測繪中心負責組織實施粵東水域船舶定線制的掃測工作。其目的是測量定線制范圍內及其附近的海道當前詳細水深和水文情況，探明會對過往船舶航行構成威脅的海底障礙物，為所需海圖的出版提供最新最詳細的基礎測繪資料。

2.2掃測區域

圖1　粵東定線制示意圖

為改善粵東海區海上交通安全形勢，粵東水域規劃在南澎列島和石碑山附近海域設立船舶定線制，由6個通航分道和石碑山南、汕頭港外、南澎島西南、南澳島南4個警戒區組成。實際測量面積約為1540平方公里。

2.3方案選擇

根據現有海域資料分析，粵東定線制海域大部分水深均在30m以下，只有部分水域水深超過30m（主要在南鵬島附近），按照《全國沿海船舶定線制和航路測量技術要求》的具體要求，定線制和航路測量應采用全覆蓋掃海測量方式，考慮到側掃聲納對航速的要求較高，結合單波束掃測方式效率偏低，且不能全面反映海底狀況，為了兼顧掃測工作的成果精度和施測效率，綜合各方面因素，確定全部粵東定線制水域采用多波束測深系統進行全覆蓋掃測。

3.潮汐控制方案分析研究

3.1潮汐概況與特征以測量區域內的云澳、汕頭等長期驗潮站的歷史數據與局部潮汐模型等信息，考察測量區域的潮汐概況與特征，作為水位控制方案制定的基本依據。經研究分析測量區域內潮汐類型以不規則半日潮為主，在測區西南側過渡至不規則日潮。測區潮汐類型數梯度變化明顯，南澳島至海門灣，為不正規半日潮，靖海、神泉很小的一個地區為不正規全日潮。

利用南澳島附近測量時云澳驗潮站與海上定點三天的同步驗潮數據，兩站相距約11.6海里，三天同步驗潮數據及其計算結果表明該測區沿垂直岸線方向的潮差與潮時差均不大，與潮汐類型數等值線圖、分潮潮波圖反映的情況相吻合。

3.2潮位改正方案確定

鑒于潮位情況和基本特征的分析研究，粵東定線制水域的潮位改正可比較分析以下兩種方法，一是基于潮汐模型與余水位監控的潮位改正法，二是基于最小二乘曲線擬合法的多站潮位改正法。

（1）基于潮汐模型與余水位監控的潮位改正法。其精度主要取決于兩個方面：①區域潮汐模型的覆蓋程度、分辨率與精度；②余水位的空間相關性。對潮汐類型無要求，關注的是潮汐模型的覆蓋程度、精度與余水位空間相關性，當潮汐模型可靠且余水位空間相關性很強時，只需沿岸個別驗潮站起余水位監控作用。利用南澳與汕頭站3年同步數據的檢測表明潮汐模型在測區滿足水位改正需求且余水位空間相關性很強。只布設云澳、靖海灣與T1三個驗潮點。

（2）基于最小二乘曲線擬合法的潮位改正法。對驗潮站布設的要求主要需參照海道測量規范的要求，潮位站布設的密度應能控制全測區的潮汐變化，相鄰潮位站之間的距離應滿足最大潮高差不大于1m，最大潮時差不大于2h，潮汐性質基本相同。基于以上考慮，計劃布設短期驗潮站7個。其中沿岸驗潮站4個，海上定點驗潮站3個。

（3）對比分析。綜合分析以上兩種水位改正方法的對比，基于潮汐模型與余水位監控的潮位改正法具有適用性好、對潮汐性質沒有要求、控制范圍廣、驗潮投入少等優點，水位改正的精度優于相關規范與規定的要求，更適合粵東定線制水域的潮位控制。

4.基于CUBE的多波束處理

多波束測深是一種具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形測量技術，具有覆蓋范圍廣、精度高、記錄數字化以及效率高等諸多優點。但多波束動輒百萬級的點云數據，若使用傳統全人工數據處理的效率愈顯低下，不可避免的加大了數據檢查和后處理的難度，應用CUBE（Combined Uncertainty and Bathymetry Estimator）算法，根據地形特征調整了幾組CUBE參數設置，對測區網格節點（Node）處進行水深及其相關誤差的一種估計，運用 CUBE 原則選擇一個“最優”的水深估計值，最后得到節點處的水深及相關誤差的估計值。

多波束外業測量時參照IHO S-44規范目標探測及CUBE建面分辨率要求進行了測線布設和船速控制，主要在考慮40米以下水深對1-2m3目標探測要求下的量程、PR值、脈沖長度、波束掃寬、測深模式等參數的設定；多波束數據處理時根據水深和地形特征調整設置CUBE參數，建面分辨率0.25-2m，深度TPU在0.3m以內，在過濾前后均在子區模式下進行了反復的數據檢查，還通過查看節點的不確定度，識別壞數據。

CUBE技術的成熟應用使處理人員由數據處理者向數據分析者轉變，數據處理的主要任務不再是簡單去刪除假信號，而是分析假信號的來源、大小，極大的解放了人力，采用人機交互處理數據，提高了工作效率，為多波束的廣泛應用打下堅實的基礎。

5.障礙物探測精細化

粵東定線制水域使用多波束測深系統和側掃聲納系統對沉船、淺點等11個障礙物進行了探測，同時采集水柱數據和反散射數據分析確定障礙物特征、屬性。

多波束測深系統以條帶測量的方式，可以對海底進行100%的全覆蓋測量，每個條帶的覆蓋寬度可以達到水深的數倍，可以獲得高精度的水深地形數據，為人們提供了直觀的海底形態；側掃聲納為海底探測提供了完整的海底聲學圖像。用于獲得海底形態，并對海底物質的紋理特征進行定性的描述。針對特殊障礙物探測，還同時進行了水柱數據（Water Column Image）和反散射數據（側掃/Snippets）采集和處理，提供更為清晰的海底地貌圖像，更詳細地反映了整個水體中懸浮物和立柱等物體特征，進一步確定了探測目標性質和最淺水深，在多波束新技術應用領域做出了有益的嘗試并取得了滿意的效果。

在水下目標探測中，多波束測深系統和側掃聲納系統的互補應用已相當普遍，能夠全方位的獲取海底目標，對目標性質的判斷和確認起到了很好的互補作用，獲取的目標屬性如大小、方位、姿態等數據更加豐富，加之水柱數據的采集和分析，可對目標區域的底質進行分析判斷，更進一步增強了探測結果的精確性和可靠性。

6.結束語

粵東定線制水域是我國南北航路通道要沖，通航環境十分復雜，事故多發，是廣東海事局轄區十大危險水域，對該水域定線制海底地形地貌、潮汐、流速流向等地理信息基礎數據的采集、分析、研究，填補了定線制無精細多波束全覆蓋掃測數據的空白，不但為船舶航行提供安全保障，也為海上救助打撈、海洋管理、合理規劃航線、海洋勘探等活動的開展提供支持。

大面積的粵東定線制水域的全覆蓋掃測和數據處理是一項工作量巨大的測繪工程，從前期掃測方案的確定、施測計劃的制定、設備船舶的準備、具體實施安排和數據成果的編繪都需要科學的謀劃、資源的合理調配和精心組織，才能兼顧安全、質量和效率，為以后大型測繪項目的實施提供了豐富的工作經驗。

在施測過程中，多種設備的綜合應用和數據處理分析方法研究，既提高了工作效率，又推廣了先進設備和技術的廣泛應用，而且逐漸形成了完善的工作流程和技術標準，不斷推動海洋測繪裝備技術的向前發展。

參考文獻：

［1］曹源.多波束測深數據處理中的CUBE算法探討［J］.中國水運.2009，9（8）：131-132.

［2］黃謨濤，翟國君，管錚，等.多波束測深技術研究進展與展望［J］.海洋測繪，2000，（3）：2～7.

［3］唐秋華，陳義蘭，周興華，等.多波束海底聲像圖的形成及應用研究［J］.海洋測繪，2004，（5）：9～12.

［4］廣州海事測繪中心.粵東水域船舶定線制掃測工程水位改正模塊編制項目技術報告（R）.廣州.2014.