基于多波束和側掃聲吶的人工魚礁區對比分析

摘 要：建設人工魚礁是恢復和養護近海漁業資源的重要措施。盡管中國沿海各地人工魚礁規模較大，但對于魚礁投放后的監測明顯不足。本文分別利用高分辨率的多波束測深系統和側掃聲吶系統對人工魚礁區進行測繪，獲取魚礁區詳細的測深和側掃數據，通過數據可以快速確定魚礁位置、形態，對兩種方法進行了對比，分析了不同的適用條件，具有較強的現實意義。

關鍵詞：人工魚礁；多波束聲吶；側掃聲吶；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.159

海洋牧場是基于海洋生態學原理和現代海洋工程技術，充分利用自然生產力，在特定海域科學培育和管理漁業資源而形成的人工漁場[1]。一般調查常用潛水觀測、錄像等方式，效率較低，觀測效果較差，調查效果不夠理想。本次試驗使用掃測范圍寬、分辨率高的多波束測深系統進行測深，使用側掃聲吶對人工魚礁投放區進行側掃，獲取了詳細的海底地形、地貌和底質等信息，可以為人工魚礁的監測及效果評估工作提供數據支持。

1 試驗區概況

本文以河北省近海某海洋牧場作為試驗對象，投放的人工魚礁材料主要為巖石和混凝土礁，可以為海洋生物提供良好的棲息環境。為進一步了解人工魚礁的分布狀況及人工魚礁區域的地形地貌特征，為人工魚礁建設的科學監測與管理提供參考建議，本試驗選取0.03km2的典型區域，進行調查，利用多波束測深系統和側掃聲吶獲取人工魚礁信息。

2 數據采集與后處理

本試驗采用EM 2040C淺水多波束測深系統，該系統由換能器、甲板處理單元、數據采集處理工作站三個部分組成，結合了高性能與便攜安裝的特點。工作頻率為200kHz-400kHz、最大開角130°、最大Ping率50Hz、波束角1.0°x1.0°@400kHz、測深分辨率為1cm，與之配套的輔助設備包括：GPS-RTK（中海達K9定位定向儀），SMC IMU-108姿態傳感器（縱搖/橫搖分辨率可達0.001°），表面聲速儀（AML MicroX），聲速剖面儀（Minisvp）以及數據采集軟件Hypack 2016等。

2016年10月采用多波束測深系統對調查區進行掃測。掃測前，先用單波束測深儀對附近水域進行了測量，初步了解到測區淺處水深5米，深處水深10.5米，根據測量的水深布設測線，測線間距為15米，儀器開角設置為130°，頻率為300kHz，測量了聲速剖面，安裝有表面聲速儀實時測量換能器處聲速。在地形變化較大處布設測量校準線，求得換能器的安裝校準參數。按規劃測線進行數據采集，在數據采集時，進行了吃水和聲速改正。采用Caris對多波束數據進行后處理，輸入校準參數，對多波束數據進行轉換、潮汐改正、線模式編輯、Subset子區編輯，水深數據輸出，本試驗中選取調查區的典型區域（250m×130m）進行了地形分析。

采用PulSAR高分辨率側掃聲納對調查區進行調查，該系統主要由拖魚、甲板單元和拖纜等三個部分組成，工作頻率為550KHz-1MHz、波束圖50°x0.4°、單側最大150m量程、分辨率橫截航跡（最大）10mm，沿航跡7cm @10m量程、35cm @50m量程、70cm @100m量程，內置GPS傳感器（SBAS差分改正），與之配套的輔助設備包括：聲速剖面儀（Minisvp）以及數據采集軟件PulSAR 1.0 B2等。

2016年10月采用側掃聲納對調查區進行調查。根據測量的水深布設測線，測線間距為30米，頻率為600KHz，在外業采集前，測量了聲速剖面，輸入軟件進行聲速改正，按規劃測線進行數據采集。采用后處理回放軟件PulSAR 1.0 B2對側掃聲吶數據進行后處理工作，可以計算人工魚礁的長度、寬度和高度。本試驗中選取調查區的典型區域（250m×130m）進行了分析。

3 數據分析

多波束水深數據具有精度高、數據量大等特點[2]。本次試驗，采用多波束測深和側掃聲吶結合的方式，分別獲取了測深和側掃數據，并對數據進行了分析。通過水深數據判斷和側掃聲吶輔助判斷可知，調查區有大量的凹坑和凸起，凸起為人為投擲的魚礁，有巖石魚礁和混凝土魚礁，分布不規律。巖石魚礁高低長短不一，西南-東北方向分布，多數長50米，寬10米，高2-3米。混凝土魚礁散布于部分區域，通過測深數據可知，混凝土魚礁為正方形，邊長約1.5米，并且部分混凝土魚礁已被泥沙填充，功能有所損失。通過水深數據可知，凸起平均水深值5.5米，其中最淺水深值為4.8米，周邊平緩水深約為8米，凹坑最深處水深為11.5米。

潛水調查方法效率低（一般潛水時間小于1h，單次探摸小于20m×20m）、成本高，且對于人工魚礁投放位置的準確性無法進行有效的判定[3]。PulSAR高分辨率側掃聲納單側最大量程可達150米，EM2040C淺水多波束測深系統受開角的限制，量程一般為水深的三倍，可采用側掃聲吶對魚礁區進行初步探查，快速獲得魚礁的分布，再采用高分辨率的多波束測深系統進行測量，本次采用河北CORS進行定位和定向，精度高，多波束數據條帶拼接良好，較常用的DGPS定位，提高了定位精度和工作效率。魚礁投放后，進行一定的監測，可以及時了解魚礁分布狀況，結合多期監測，分析魚礁區的地形變化情況，了解魚礁是否有位移，本次對魚礁被泥沙掩埋的情況進行了評估。

4 結論

本次試驗，使用掃測范圍寬、分辨率高的多波束測深系統進行測深，使用側掃聲吶對人工魚礁投放區進行側掃，獲取了詳細的海底地形、地貌和底質等信息本次試驗。試驗區內投石和混凝土礁散布于海底，可以準確定位魚礁的位置，計算魚礁的體積，了解混凝土礁的覆蓋情況。人工魚礁建設評估工作可以采用多波束測深系統和側掃聲吶結合使用，既可以提高效率，也可以取得更好的監測效果。

參考文獻：

[1]楊紅生.我國海洋牧場建設回顧與展望[J].水產學報，2016，40

（07）：1133-1140.

[2]宮士奇，閻軍，馬小川等.湄洲灣北部海底地貌特征研究與分析[J].海洋科學，2016，40（08）：61-69.

[3]沈蔚，張守宇，李勇攀等.C3D測深側掃聲吶系統在人工魚礁建設中的應用[J].上海海洋大學學報，2013，22（03）：404-409.

作者簡介：逯金明（1986-），男，本科，工程師，主要從事海洋測繪和工程測量等研究工作。