基于工程案例的多波束海洋測繪分析

朱毅斌

（福建省水產設計院，福州 350000）

1 引言

多波束海洋測繪技術是一種新型測繪技術，能夠對海底進行高精度的測量。在傳統的海洋測繪工作中，通常使用單波束探測儀作為測量儀器，但是其在使用過程中需要面臨2個方面的問題：（1）在使用窄波束技術時，需要通過加大換能器將波束變窄，因此，會增加測繪工作的成本；（2）加密測線，也會增加測繪成本。而多波束海洋測繪技術可以進行多信道的定向接受以及廣角度的發射，不需要使用換能器就可以更準確、更廣泛地獲取海底的相關數據，全面提高海洋測繪技術的精確度。

2 多波束海洋測繪系統的相關概述

2.1 多波束海洋測繪系統的構成

本次水下探測工程使用 SeaBat7125多波束海洋測繪系統，這也是目前精度最高、最先進的一種多波束海洋測繪探測系統，該系統由運動傳感器、圖像處理系統、QTC Multiview 低質分類系統、ICTANS 光纖羅經以及多波束數據后處理系統組成，其具體工作原理如圖1所示。

圖1 SeaBat7125多波束海洋測繪系統工作原理

2.2 多波束海洋測繪系統的特點

以 SeaBat7125多波束海洋測繪系統作為例子，其特點主要表現以下方面：SeaBat7125多波束海洋測繪系統可以實現波束的連續接收與連續發射，有效提高了測繪的覆蓋范圍，具體來說，其可以對水下地形進行全部覆蓋。與單波束測繪不同，多波束能夠整體從面上做出反應，在這種情況下，得到的測量結果更加準確、真實。而單波束測繪系統在只能將斷面中所產生的數據進行記錄，而后通過插補的方式形成等值線，在這種情況下就會降低測繪結果的準確性。另一方面，利用系統中包括的發射換能器，可以向水底投射 128°的扇形覆蓋區[1]，在這種情況下，接收器可以同時生成256個動態聚焦波束，此時分辨率達到 5mm，完成波束后，將檢測到的距河床底距離與散射強度的圖像直接顯示于聲吶監視器中，這樣也可以為質量檢查工作提供方便。

3 多波束海洋測繪系統的應用

在傳統的水下監測工作中，基本上都是采用單波束測繪系統進行水下測量，單波束測繪系統屬于一種線狀測繪方式，能夠將水下的真實情況反映出來，但是這種測繪方法不僅難度較大，且精確度比較低，無法滿足一些復雜地形或大比例尺水下測繪工作的要求。采用多波束海洋測繪系統則能夠有效提高測繪結果的準確性，具體來說，多波束海洋測繪系統具有高分辨率、快速測量、全面覆蓋、精確度高等多種優點，能夠對水下地形發生的細微變化進行全面監視，從而更加高效地完成測繪工作。

4 多波束海洋測繪系統數據處理

傳統海洋測繪中的數據處理方法，主要是通過構建 Grid規則格網或者 Delauny 三角網形成水下的 DTM （數字地面模型），而后利用四叉樹索、分塊處理實現多尺度 LOD（Levele of Data，多細節層次）的現實效果，呈現水下地形。但是，在如今的海洋測繪工作中，對測繪結果準確性的要求也越來越高，加之水下地形數據具有海量性、多樣性以及復雜性等特點，同時，應采用離散點云數據進行插值擬合，對所采集的多波束水下地形數據進行處理，從而獲得足夠的水深值，而后完成數據插值，以此確保結果的真實性與準確性。除此之外，計算擬合曲面差后，可以得到水下砂石資源的變化情況。

現如今，由于圖形學科與計算機技術的不斷發展，相關學者或科學研究人員對離散數據的曲面重建技術進行了更加深入的研究與分析，具體來說，插值或離散數據擬合是使用一系列無規則或者是一個光滑曲面的抽樣數據進行逼近的。

5 運用多波束海洋測繪系統的相關注意事項

多波束海洋測繪系統不僅應用靈活，而且還具有計算過程簡單、精確度較高、所占內存較小等優勢。利用算法選擇離散分布的數據點時，需要對2個方面的因素進行重點考慮：一方面是范圍，具體指的是利用大面積范圍內具有的數據點對被插點的數據進行計算；另一方面是點數，是指應選擇多少個點參加被插補點的計算。在應用這2個因素時，應根據具體情況進行合理選擇。確定范圍時，應將某一個被插值的點作為圓心，而后確定半徑，進而確定整個范圍、原始數據點的疏密性、半徑決定的疏密程度以及原始數據點均會對具體的范圍造成影響。因為每一個原始點的分布不夠均勻，所以，為了可以更加準確地求解二次曲面方程，必須保證擁有的點的數據充足，但不能太多，確保其適中性，在這種情況下，圓形范圍的半徑也是不固定的[2]。所以，在確定圓的半徑時，可以使用逐步變動的方法。

將被測繪的水下地形表面中具有的離散化的數據點進行轉化，使其能夠成為規則化的網格分布的連續函數，具體轉化過程中，可以使用規則圓方法進行轉化，將所取的規格化節點臨域范圍內的掃測值進行擬合計算。選擇一個新的數據點時，應在其周圍選擇多個鄰近的數據點，并將最初選擇的新坐標點作為原點，而后再使用多項式曲面擬合，利用多個數據點求得多項式中含有的各項參數。

6 結語

綜上所述，利用多波束海洋測繪系統對水庫、堤防、海洋以及湖泊等水域進行水下地形的測量，可以為檢測水下工程建筑物、水下工程的安全性提供數據支持，如水下管線、電纜的監測；河道橋梁、碼頭、港口以及疏浚等工程的測量；水下物體、沉船的搜尋等，都可以采用多波束海洋測繪系統進行測量，從而有效提高測量結果的真實性與準確性，這也說明多波束海洋測繪系統具有非常良好的應用前景，因此，應對多波束海洋測繪系統進行更加深入的研究。