多波束測量數據處理關鍵技術研究

◎ 柯祥 福建省港航管理局勘測中心

多波束測深系統經過幾十年的發展，隨著測量精度也越來越高，其在水運工程中的應用也越來越廣，其主要的應用范圍有①水文測量；②搜尋水下礙航物；③海圖、江圖測量；④疏浚測量；⑤沿海敷設電纜管線時的調查和施工控制；⑥科研目的的水深調查；以下將以Teledyne Reson SeaBat T50-P多波束測深系統及CARIS HIPS and SIPS內業處理軟件為例分析多波束測深系統的數據處理流程及幾個關鍵技術。

1.數據處理流程

數據處理流程主要包括編輯船型配置文件、聲速剖面改正、水位改正、剔除錯誤“飛點”、水底曲面生成、數據合并、數據抽稀、輸出和繪圖等過程。圖1為數據處理流程圖。

2.多波束測量數據處理技術研究

2.1 船型文件的編輯

以T50P采集的.PDS文件為例，在數據采集過程中已經加載了換能器吃水，HIPS在讀取.PDS中的水深文件時，水深點的平面坐標是以換能器中心為參考點，以水面為Z值作為起算點，因此在船型文件設置中，不需要輸入換能器的Z值，但是要輸入XY值。

圖1 Caris HIPS多波束數據處理流程圖

同時，讀取的GPS為原始定位數據，所以在HIPS中顯示的軌跡線是原始軌跡線，因此在船型文件中的Navigation中，需要輸入GPS相對于參考點的XYZ坐標，其中Z值參與計算GPS Tide。在數據預處理中，已經在PDS中進行過聲速改正，所以在HIPS中不需要再做聲速改正，因此在Heave、Pitch、Roll中需要選擇不應用。

水線信息，如果不需要做GP S Tide計算，則不需要輸入水線信息。如果需要做GPS Tide計算，需要輸入水線信息，但是在Apply選項里選擇不應用No。

2.2 聲速改正

在多波束測量過程中，用到兩種不同的聲速值，一種是多波束換能器處的聲速，即表面探頭聲速；另一種是水體各層的聲速，為聲速剖面。

聲波在水中不會沿一條直線傳播，其傳播路徑是折線。要得到多波束腳印的真實位置，必須對多波束腳印的運動軌跡進行跟蹤，這一過程叫做聲線追蹤。聲線跟蹤所獲得的波束足跡空間位置的計算，也稱聲速剖面改正。其目的就是將以波束角和聲波來回傳播時間格式記錄的多波束原始數據轉換成：沿航跡，垂直航跡及深度格式的數據。一般情況下，每天測量前后均需測量聲速剖面。當海況變化較大時，還要加密聲剖采集密度，以減小聲速變化對測深精度的影響。

經聲速剖面改正后，水深條帶仍存在彎曲現象，呈現“笑臉型”和“哭臉型”，在HIPS中可以應用聲線折射改正工具予以糾正。

在Swath Editor窗口中，選擇Tools＞Swath Editor＞Refraction Editor嘗試設置Depth和Velocity Correction的值，觀察“笑臉”或“哭臉”的變化，當達到滿意的平整度時，點擊Add，然后檢查整條測線重復以上步驟，點擊Save，軟件將自動保存聲線折射改正系數以備重新合并時用。在“合并”時，選擇采用已保存的聲線折射改正系數（Apply refraction Coefcient）。

2.3 潮位改正

主要有兩種方法：一種是單潮位改正：用于范圍較小，潮位變化不大的測區；另一種是多潮位改正：以水深測點到各潮位站的距離反比為權，進行多站潮位的加權平均，進行改正。多潮位改正.zdf文件的格式如下：

其中：

[ZONE_DEF_VERSION_2]為多潮位改正功能版本；

[ZONE]第一行為區域名和多邊形的角點數；以下行為各角點的坐標；

[TIDE_ZONE]指定與各區域有關的潮位站及潮位文件路徑。

[TIDE_STATION]指定各潮位站的坐標。

[TIDE_AVERAGE]指定各潮位區域在進行潮位加權平均時將用到的潮位站。

[OPTIONS]包括二個記錄:從第一潮位站轉到第二潮位站之前的超時時間，以分鐘為單位。潮位數據被裝載到測線時的最終時間間隔，以秒為單位。

在加載多潮位文件時，應該勾選“Weighted averaging”。

2.4 多波束數據合并及剔噪

原始水深數據經過聲速剖面改正后，已經將（波束角+聲傳播時間）格式的數據轉成（相對船的水平位置+相對安裝的深度）水深值。“合并”計算是根據羅經數據、GPS定位數據和潮位數據，將每個水深點的坐標從船坐標轉換為地球坐標下的X、Y、Z數據。依據在船配置文件中定義的各傳感器間的偏移和傳感器誤差，根據誤差傳播算法計算每個水深點的總深度誤差和水平位置誤差（TPU）。

經過“合并”，并計算出TPU后，就可以建立實時地域圖及水深數據曲面，進行數據切片處理及剔噪，最終根據需求輸出成果。

3.結束語

由于在多波束測深數據處理過程中涉及許多關鍵技術問題，在實際操作過程中經常會遇到數據質量不佳的情況。有些是有可變誤差引起的，比如：系統安裝位置、吃水改正、潮位改正、傳感器固定的時延偏移、多波束校正參數，這些是可以通過內業數據處理進行補救的。但是諸如：時間同步不正確、聲吶探頭安裝桿，運動傳感器自身的運動，定位誤差等這些屬于不可以補救的影響，只能進行外業返工；多波束測深技術的不斷發展，改變了海洋測繪的理論和方法。為適應這項先進技術的應用，充分發揮其價值，需要對多波束測量數據處理技術進行完全掌握。