關(guān)于多波束對(duì)海底地形圖的繪制分析

辛保穩(wěn)+張超

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)海洋開(kāi)發(fā)和保護(hù)力度將會(huì)不斷深入，海底地形成為人們了解海洋，開(kāi)發(fā)和保護(hù)海洋的一個(gè)重要方面，本文將對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行海底地形圖的繪制方法進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】多波束；海底地形圖；繪制

前言

近年來(lái)，隨著海洋開(kāi)發(fā)力度的不斷深入，世界沿海大國(guó)在維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益、合理有效開(kāi)發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)海洋資源、環(huán)境的可持續(xù)利用發(fā)展已經(jīng)作為各國(guó)的發(fā)展重大戰(zhàn)略。而做好海洋勘察工作，才是海洋經(jīng)濟(jì)得以有效發(fā)展和保護(hù)的基礎(chǔ)，海底地形測(cè)量又成為海洋勘察工作中的一個(gè)重要組成方面。本文將探討多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行海底地形圖的繪制方法，以更好的提高對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)利用和有效保護(hù)。

一、多波束系統(tǒng)

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種高精度、高效率和高分辨率的測(cè)深儀器，其技術(shù)是由水聲技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)以及數(shù)字化傳感器技術(shù)等多類型高度集成，多波束系統(tǒng)的組成單元組成又分為聲學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與外圍輔助傳感器這四個(gè)部分。多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用多波束測(cè)深系統(tǒng)開(kāi)啟波束的觸發(fā)，經(jīng)聲波發(fā)射和接收換能器陣完成聲波廣角度定向發(fā)射、接收后并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，反算出其測(cè)量距離或記錄往返時(shí)間，然后利用定位設(shè)備、姿態(tài)儀、聲速剖面儀與電羅經(jīng)等儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)船舶瞬時(shí)位置、姿態(tài)、航向的測(cè)定和海水中聲速的傳播特性。在同船舶航向垂直的垂面里面同時(shí)發(fā)射240*1.0度的波束，產(chǎn)生條幅式濃密度水深大小數(shù)據(jù)，可以精準(zhǔn)、及時(shí)地測(cè)量出沿航線特定寬度條帶內(nèi)水底下目標(biāo)物的大小、形狀與高低大小狀況，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)算，計(jì)算的數(shù)據(jù)是聲速、姿態(tài)、定位、聲速剖面與潮位等信息的綜合，從而得到波束腳印的深度和坐標(biāo)，以此精確可靠地描繪出海底地形地貌的地形圖特征。多波束系統(tǒng)完全改變了以往測(cè)深方法，與單波束回聲測(cè)深儀進(jìn)行比較，其優(yōu)勢(shì)也非常明顯，在測(cè)量的橫向覆蓋范圍更廣、測(cè)量的速度也更迅速、精度與效率也更高，還有記錄數(shù)字化與實(shí)時(shí)自動(dòng)繪圖等優(yōu)勢(shì)。

二、多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理

多波束測(cè)深數(shù)據(jù)量非常大，要用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理工作站和數(shù)據(jù)處理軟件操作。如果在測(cè)量進(jìn)行中存在儀器噪聲、海況因素、多波束系統(tǒng)參數(shù)沒(méi)有符合要求的設(shè)置，就會(huì)造成測(cè)量出來(lái)的水深不合理或者假信號(hào)的出現(xiàn)，形成虛假地形。為了杜絕這些問(wèn)題的發(fā)生，我們需要實(shí)時(shí)采集的多波束資料給予數(shù)據(jù)編輯，把假信息刪除，以得到真實(shí)的數(shù)據(jù)信息，那就需要做到以下幾個(gè)方面：

1、數(shù)據(jù)的預(yù)處理。由于數(shù)據(jù)來(lái)源是參差不齊，層次概念模糊不清，就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在對(duì)海洋水深數(shù)據(jù)中需要做的就是對(duì)水深數(shù)據(jù)編輯和清理前的改正預(yù)處理。改正方面主要涉及到水位高低、橫搖、聲速、吃水、縱搖和時(shí)間延遲等方面的改正，如果在外業(yè)已經(jīng)對(duì)這些方面進(jìn)行改正過(guò)的，在內(nèi)業(yè)就不需要再改正，假設(shè)檢查出沒(méi)改正好的，可以在內(nèi)業(yè)繼續(xù)改正。然后將測(cè)量好的改正參數(shù)按數(shù)據(jù)處理軟件的格式輸入軟件系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)改正。

2、定位數(shù)據(jù)的編輯和處理工作。定位數(shù)據(jù)的精度會(huì)受到衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量、信標(biāo)臺(tái)信息傳送質(zhì)量和信號(hào)盲區(qū)或者是天氣、海況等多方面的因素影響，造成定位資料出現(xiàn)錯(cuò)誤，尤其是偏離真實(shí)處的“飛點(diǎn)”狀況發(fā)生。多波束數(shù)據(jù)處理軟件具有對(duì)定位數(shù)據(jù)的處理功能，如對(duì)可疑的導(dǎo)航數(shù)據(jù)給予剔除，只需要數(shù)據(jù)處理者對(duì)測(cè)量的實(shí)際情況做參數(shù)設(shè)置。在具體實(shí)例中，我們可以看見(jiàn)當(dāng)其誤差絕對(duì)值超過(guò)2-3倍中誤差時(shí)就會(huì)被認(rèn)為是可疑數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行剔除。但是異常數(shù)據(jù)占全部定位數(shù)據(jù)的比例過(guò)大時(shí)，就要做具體分析，才能處理。

3、水深數(shù)據(jù)的處理。多波束測(cè)量的海底地形會(huì)造成誤差、界外值、以及失敗的檢測(cè)，檢查人員就需要查看這些海底檢測(cè)，然后做出決定。水深數(shù)據(jù)處理任務(wù)是一個(gè)系統(tǒng)過(guò)程，主要是采用自動(dòng)清理與人機(jī)交互的方法清理出錯(cuò)誤水深，剔除虛假信息，和一些不可能的孤立點(diǎn)、躍點(diǎn)與噪音的剔除，并保留真實(shí)信息。

三、海底地形圖的繪制過(guò)程

海底地形成果圖應(yīng)包含水深地形圖、彩色立體圖和影象圖等方面。利用多波束數(shù)據(jù)成圖比較復(fù)雜，多波束數(shù)據(jù)量非常大，而成果圖圖載信息又非常少，不可能把全部測(cè)量的水深點(diǎn)都繪制到成果圖上，這就要對(duì)多波束的最原始數(shù)據(jù)給予處理，根據(jù)需要，成圖比例尺來(lái)壓縮數(shù)據(jù)量，然后將可以反映地形特征的數(shù)據(jù)信息表達(dá)在成果圖中。對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理是對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大的一個(gè)過(guò)程。網(wǎng)格就是指規(guī)則格網(wǎng)（GRID），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量不大、計(jì)算分析方便有效等方面的優(yōu)點(diǎn)。而多波束數(shù)據(jù)量大，利用網(wǎng)格化不僅能提高效率，同時(shí)還不損失網(wǎng)格化精度，也有利于地形分析。

通過(guò)網(wǎng)格化生成DTM后，也就生成了各自各樣的成果圖，包括水深地形圖、多彩立體圖和影象圖等的圖形。網(wǎng)格內(nèi)插方法是DTM的最重要方面，對(duì)DTM的精度有非常大的影響。多波束網(wǎng)格的內(nèi)插方法包括距離加權(quán)內(nèi)插法、Kriging內(nèi)插法和高斯加權(quán)平均內(nèi)插法等方法。無(wú)論選擇多波束網(wǎng)格的內(nèi)插方法總哪一種，在確保插值的精度與效率時(shí)，要對(duì)網(wǎng)格大小，搜索范圍大小等方面的參數(shù)根據(jù)具體數(shù)據(jù)情況進(jìn)行設(shè)置。如1：1000的圖，網(wǎng)格大小為1m。1：5000的圖，網(wǎng)格大小為5m。我們所看見(jiàn)的水深圖，就是按照比例尺來(lái)成圖，保證圖上1cm有一個(gè)水深點(diǎn)，1：1000的水深圖，至少10m一個(gè)水深點(diǎn)，按照需要進(jìn)行加密，在網(wǎng)格化時(shí)，是圖上1mm一個(gè)點(diǎn)，可以保證成圖的精度。在海底地形圖繪制的具體操作時(shí)，首先完成數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后，要把grd文件保存或者是轉(zhuǎn)換為MapGIS能接受的數(shù)據(jù)類型。MapGIS作為一款集圖像圖形處理、空間分析、數(shù)據(jù)庫(kù)管理為一體的文件格式軟件，當(dāng)前只接受SufferV6格式的二進(jìn)制辱nd文件。等深線和3D陰影圖以直接應(yīng)用DTM生成，3D陰影圖的繪制使用SufferV8，讓系統(tǒng)自動(dòng)生成3D陰影圖。但是還需要對(duì)視場(chǎng)參數(shù)做調(diào)整，如正交投影，傾斜角=90。，方位角=O。，視場(chǎng)值=1。海底地形圖通常的表現(xiàn)形式還是以等深線為主，3D陰影圖也只是當(dāng)做背景使用，以達(dá)到增強(qiáng)立體感效果，提高其使用讀圖效果。如果立體感太強(qiáng)，就會(huì)造成等深線的閱讀能力降低，所以存調(diào)整比例中縱向比例尺寸不要過(guò)大。同時(shí)在配色上需要多采用亮色，光照的亮度增大一些，以襯托出等深線的效果。可以說(shuō)用多波束對(duì)海底無(wú)遺漏的測(cè)量，繪制的圖對(duì)海底地形特征的表達(dá)更形象直觀，而且也更加的細(xì)致、精確。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張朝忙，劉慶生，劉高煥，等.SRTM3 與ASTER GDEM數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用進(jìn)展[J].地理與地理信息科學(xué)，2012，28（5）

[2] 么彬.多子陣波束域高分辨水聲成像技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué) 2009

[3] 魏玉闊.多波束測(cè)深假象消除與動(dòng)態(tài)空間歸位技術(shù)[D].哈爾濱工程大學(xué) 2011

[4] 黃賢源.多波束測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究[D].解放軍信息工程大學(xué) 2011

[5] 蘇程.深水多波束測(cè)深側(cè)掃聲納顯控系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué) 2012

[6] 陸丹.基于聯(lián)合不確定度的多波束測(cè)深估計(jì)及海底地形成圖技術(shù)[D].哈爾濱工程大學(xué) 2012