多波束測深技術優勢與海洋測繪新思路

崔鑫 郝紀

摘 要：隨著科技的進步與發展，測量技術也在不斷提升進步，日益現代化。多波束具有較高的分辨率和全覆蓋、高效率等優勢，使其在航道維護、工程施工、水下目標探測等方面中得以廣泛應用。本文論述了多波束測深技術的優勢特點，分析其在海圖測繪工序及水運工程測量方面所產生的影響，探析了海洋測繪新思路。

關鍵詞：海洋測繪;多波束測深;測繪技術

0 引言

由于海洋有其流速多變、水位影響因素較多、海底地形復雜、各種情況相互交叉影響等特點，使得海洋測繪面臨較為復雜的情況。現今，多波束系統在海洋測繪中得以廣泛應用，并在海洋緊急情況應急措施實施中發揮重要作用。

1 多波束測深系統技術原理

多波束測深系統的工作原理是利用發射換能器陣列向海底發射寬扇區覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進行窄波束接收，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當的處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。

2 基于多波束測深技術的海洋測繪新思路

2.1 海圖測繪工序改進的探索

海洋測繪的一個重要任務是海圖的測繪。海圖測繪的工序是在模擬測圖階段建立起來的，在今天數字測圖時代也沒有大的改變，其工序為：控制、水深、地形等的測深到海圖的編輯、加工和出版。這一工序已跟不上時代的步伐：一是更新周期較長（繁忙港口4年，一般海區為8年），滯后于港口航道的建設速度，數據發布更新不及時，給通航保障帶來不利影響;二是目前的海圖測繪主要為單波束，測深為中小比例：港內1：5000，近海1：15000，外海1：40000，難以滿足工程需要。多波束測深的條帶覆蓋寬度可達4倍以上水深，其作業效率很高，且實現全覆蓋測量，數據的價值是單波束無法比擬的。因此，采用多波束進行海圖測繪是可行的。結合多波束的技術特點，給出海圖測繪的新思路：（1）多波束全覆蓋測深，獲取海底精細地形，在此基礎上制作測區的DTM，以此建立海圖數據庫;（2）用圖層管理礙航障礙物和淺區;（3）與海事及各當地港口管理部門信息共享，及時獲取重要地形變化點，建立修測機制，及時更新障礙物及淺區圖層;（4）建立基于海圖數據庫的內業出版體系，提高內業效率，豐富海圖產品的種類，更好地服務社會。

2.2 對水運工程測量的影響

2.2.1 疏浚工程建設方面

多波束測深的普及應用在水運工程測量產生了重大影響。例如，在航道疏浚工程項目中，經典的建設方案為：初設階段采用1：5000比例單波束測圖，施工圖階段采用1：1000或1：2000單波束測圖。這是基于多波束測深技術普及之前的思路。由于單波束測深是點和線的概念，會漏測小型障礙物，根據建設經驗，常在工程的施工或驗收階段才發現，進行補充設計。這樣造成工期滯后或投資誤差過大，不利于工程管理，影響工程建設進度。故考慮到多波束的全覆蓋特性，完全可以在初設階段或施工圖階段就采用多波束測深，實現精準設計，將大大提高工程建設的管理水平。

2.2.2 水下隱蔽工程檢測方面

多波束測深獲得高分辨率的數據，實現了水下三維可視化，開辟了水下隱蔽工程的檢測的新天地。水下隱蔽工程的測量監督是一個難點，傳統的手段為單波束測深、水砣測深、潛水員探摸，測量結果不理想。利用多波束測深高精度、高密度、三維可視化的特點，福建省港航管理局勘測中心已經開展這方面的工作：從碼頭到防波堤，在施工階段及運營階段都取得了很好的效果，具體的案例有：廈門歐厝對臺碼頭三維可視化檢測以及浙江蒼南電廠防波堤運營期檢測。水下隱蔽工程可視化檢測的應用思路為：（1）基槽開挖時利用泥漿密度計配合多波束測深實現基槽的細部測量;（2）基床回填整平后利用多波束測深進行三維可視測圖，測出基床的肩部細節，直觀地評估基床整平效果;（3）承箱安裝后多波束測深結合三維掃描儀（一種測站式微型高精度多波束）對碼頭前趾及承箱接縫進行測量，評估承箱安裝質量;（4）運營期定期用多波束掃測承箱的箱體及碼頭前趾的水流沖刷情況。

2.2.3 疏浚工程量計算方面

港口與航道的疏浚工程中工程量的計算涉及巨大的經濟利益（水深測量誤差1厘米對應的工程量為每平方公里1萬立方），因此水深測量精度的微量提高對于大面積水域的疏浚工程量具有重大意義。根據《水運工程測量規范》（JTS131-2012），單波束測深數據用于計算工程量時，采用隨機等間距的方式取點，該思想是利用隨機等效影響的概念保障計算精度。而多波束測深可測得地表細節，利用高密度的多波束數據可精確計算工程量。然而原始的多波束測點間距為分米級，造成海量數據，不利于計算機運算，因此需要建立新的數據選取機制。主流的方格網法或等間距法選點均導致地形不同程度的失真，容易忽略地形特征點。筆者根據應用經驗，提出新的數據壓縮方法：地形特征值法。該方法以最原始的高密度多波束數據為基礎，相鄰的4個測深點構成一個四棱錐，視為一個微地形單元。設置該棱椎的幾何參數作為選點門限，區分出平坦地形和復雜地形，實現選取的水深點既不冗繁，又能準確體現地形特征。這樣既實現了數據大幅壓縮，又保障了地形細節的真實表達，既解決數據冗繁的問題，又保障計算精度。

3 結語

綜上所述，在未來的研究中應進一步對多波束系統在海洋測量中的應用進行詳細的研究與分析，希望本文能夠為多波束系統在海洋測量中的應用研究提供幾點借鑒，并為我國海洋航道的發展提供積極的推動作用。

參考文獻

[1]張同偉，秦升杰，唐嘉陵，王向鑫.深水多波束測深系統現狀及展望[J].測繪通報，2018，（05）：82-85.

[2]溫志堅.應用多波束測深系統的海洋測繪研究[J].科技資訊，2017，15（14）：70-71.