多波束測深數(shù)據(jù)采集質(zhì)量監(jiān)控方法探討

王 啟，劉勝旋

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東 廣州 510760；2.自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室,廣東 廣州 510760）

多波束測深是海洋地質(zhì)調(diào)查前期的一種重要的方法手段[1]。多波束測線條帶覆蓋寬度與水深成正比,作業(yè)效率高,可對海底進行全覆蓋測量,在海洋地質(zhì)調(diào)查中具有不可替代的作用。高質(zhì)量的多波束測深資料可提供可靠的海底地形地貌特征,為其他海洋調(diào)查方法手段（海底攝像、ROV、站位取樣等）的開展以及后續(xù)海洋礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)、研究利用和環(huán)境評價提供一定的基礎(chǔ)支撐。多波束資料成果質(zhì)量不僅與多波束測深系統(tǒng)自身測量精度有關(guān),還與其他相關(guān)輔助調(diào)查設(shè)備的測量精度、水域環(huán)境、工作參數(shù)以及數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)控等因素密切相關(guān)[2]。多波束原始數(shù)據(jù)質(zhì)量將直接影響資料處理成果的質(zhì)量,因此提高現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)控方法是獲得高質(zhì)量原始數(shù)據(jù)的一項重要措施[3]。為了獲得高精度、高質(zhì)量的多波束原始資料,本文主要針對多波束數(shù)據(jù)采集過程中的關(guān)鍵問題,探討了多波束數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的質(zhì)量監(jiān)控方法。

1 準(zhǔn)備階段

1.1 資料收集

海洋是一個極其復(fù)雜多變的環(huán)境,為了保障野外數(shù)據(jù)采集工作的順利完成和減少突發(fā)事件的發(fā)生,海上作業(yè)前應(yīng)多收集目標(biāo)工區(qū)已有的水文、氣象資料,在淺水域作業(yè)時還需掌握工區(qū)漁網(wǎng)、暗礁以及淺灘分布等信息,并根據(jù)已知資料制定合適的野外資料采集實施方案。整個數(shù)據(jù)采集過程應(yīng)嚴(yán)格遵循水深測量相關(guān)規(guī)范,按照實施方案要求做好質(zhì)量控制,保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量[4]。

1.2 系統(tǒng)測試

航行前應(yīng)全面檢查調(diào)查船是否滿足海上作業(yè)要求,檢查導(dǎo)航定位系統(tǒng)是否正常工作,檢查和校準(zhǔn)聲速剖面測量儀、運動傳感器等設(shè)備,以確保各系統(tǒng)正常工作[4],這是開展數(shù)據(jù)采集的前提條件。海上多波束測深數(shù)據(jù)采集時間一般較長,需要長時間、連續(xù)不間斷的工作,因此作業(yè)期間需對相關(guān)調(diào)查設(shè)備進行定期檢查,將設(shè)備運轉(zhuǎn)情況記錄在案,確保設(shè)備一直處于安全、正常工作狀態(tài),保證野外數(shù)據(jù)采集工作順利運行。

2 現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)控

2.1 參數(shù)校正

正式開展多波束測量前,需要選擇合適的區(qū)域進行參數(shù)校正。參數(shù)校正區(qū)域應(yīng)包含平坦地形和一定起伏的特征地形,參數(shù)測試過程中船速不易過大,最高船速一般不要超過8節(jié)。參數(shù)校正主要包括定位時間延遲校正、橫搖偏差校正、縱傾偏差校正和艏向偏差校正[5-6],其中定位時間延遲是由于多波束測深系統(tǒng)采用的時間與定位時間不同步或多波束測深系統(tǒng)與定位系統(tǒng)在相同時刻的定位信息不相同而產(chǎn)生的[7],定位時間延遲校正一般選擇在具有一定坡度變化的特征地形上進行,調(diào)查船沿同一測線相同方向、以不同的船速分別采集數(shù)據(jù)；橫搖偏差校正一般選擇在平坦地形區(qū)域進行,縱傾偏差校正一般選擇在具有一定坡度變化的特征地形上進行,調(diào)查船以相同船速沿同一測線、相反的方向分別采集數(shù)據(jù)；艏向偏差校正一般選擇在特征地形上進行,設(shè)計兩條穿過特征地形的測線,調(diào)查船沿同一方向以相同的船速分別采集數(shù)據(jù)。將參數(shù)測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入Caris軟件中進行處理,通過現(xiàn)場參數(shù)校準(zhǔn)后,所有相鄰測線測深條帶一致性良好,如圖1所示。

圖1 海底地形剖面圖

為了保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量,參數(shù)測試時需要布設(shè)檢查線,采用相對誤差進行測量水深精確度評估。相對誤差愈小測量精度愈高,且以相對誤差來評估水深測量精度也與測深儀的精度指標(biāo)相符[8]。假設(shè)重復(fù)測量點處主測線的水深值為D1,檢查線的水深值為D2,該重復(fù)測量點的不符值為D1-D2,二者的平均值D視作測量真值,則重復(fù)測量點不符值的相對誤差公式為:

參數(shù)測試數(shù)據(jù)質(zhì)量應(yīng)滿足不低于90%置信度的要求。數(shù)據(jù)質(zhì)量精度達到規(guī)范要求后,將校正后的定位時間延遲、橫搖偏差、縱傾偏差和艏向偏差參數(shù)輸入多波束測深系統(tǒng)中,用于工區(qū)資料采集和監(jiān)控。在野外資料采集過程中,當(dāng)相關(guān)儀器設(shè)備安裝位置因故障發(fā)生變化時,應(yīng)把重新測量后的相關(guān)安裝參數(shù)準(zhǔn)確無誤地記錄到野外資料采集報告中,使室內(nèi)資料處理人員準(zhǔn)確了解野外數(shù)據(jù)采集情況,避免設(shè)備安裝參數(shù)變化產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差。

2.2 海況影響

海況是影響多波束測深數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素之一,惡劣的海況是噪音數(shù)據(jù)產(chǎn)生的主要原因。在多波束野外作業(yè)過程中,受風(fēng)、浪、涌和流的影響,船和換能器的姿態(tài)不斷發(fā)生變化,當(dāng)海況較差時,發(fā)射和接收波束的覆蓋區(qū)發(fā)生偏離,多波束原始數(shù)據(jù)中將含有較多的噪音信號,且邊緣波束往往較差[9],嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。在海況特別惡劣的情況下,波束丟失極為嚴(yán)重,數(shù)據(jù)無法滿足相關(guān)規(guī)范要求,應(yīng)立即停止作業(yè)。另外,在海岸帶等淺水域進行多波束資料采集時,由于工區(qū)浮標(biāo)、漁網(wǎng)眾多,夜間作業(yè)將對船舶航行和調(diào)查設(shè)備帶來巨大的安全隱患,為保證設(shè)備和人員安全,應(yīng)盡可能避免夜間作業(yè)。

2.3 條帶重疊率

多波束主測線布設(shè)在原則上應(yīng)平行于等深線方向,檢查線與主測線的夾角應(yīng)大于70°,且至少應(yīng)與工區(qū)內(nèi)80% 的主測線相交。海洋多波束調(diào)查一般為全覆蓋測量,為防止出現(xiàn)漏測現(xiàn)象,相鄰測線條帶重疊率需達到10%以上[10]。

為了對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量進行有效監(jiān)控,需要每天把采集的原始數(shù)據(jù)加載到Caris處理軟件中進行初步處理,檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量?，F(xiàn)場處理具有室內(nèi)后處理無法比擬的優(yōu)勢,現(xiàn)場更清楚野外數(shù)據(jù)采集的情況,可針對實際情況對數(shù)據(jù)進行分析處理。我國南海東沙海域多波束局部海底地形剖面圖如圖2所示,調(diào)查初期發(fā)現(xiàn)相鄰條帶剛剛相接,條帶重疊率極低,遠沒有達到規(guī)范要求的10%,甚至在地形曲面上出現(xiàn)少量空洞。為了保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量,需及時將原始數(shù)據(jù)情況告知數(shù)據(jù)采集相關(guān)技術(shù)人員,在后續(xù)作業(yè)過程中適當(dāng)減小測線間距,加大相鄰測線條帶的重疊率。

圖2 我國南海東沙海域局部海底地形剖面圖

測線間距調(diào)整后,后續(xù)數(shù)據(jù)采集中相鄰測線條帶的重疊寬度明顯加大,除在海底地形起伏變化較大的區(qū)域條帶覆蓋寬度突然變窄外,大部分區(qū)域相鄰測線條帶重疊率達到10%以上,滿足相關(guān)規(guī)范要求。另外,中央波束發(fā)散度與邊緣波束發(fā)散度相差不大,數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,如圖3所示。

圖3 調(diào)整后我國南海東沙海域局部海底地形剖面圖

2.4 濾波設(shè)置

采集系統(tǒng)中通過設(shè)置濾波參數(shù)可過濾掉質(zhì)量較差的邊緣波束和部分噪音數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。濾波設(shè)置主要包括波束角和水深濾波。水深一定時,波束角越大條帶覆蓋寬度就越大,因此通過設(shè)置波束角大小可限制條帶覆蓋寬度。當(dāng)海況較好時,可適當(dāng)增大波束角,加大條帶覆蓋寬度,提高作業(yè)效率；當(dāng)海況較差時,邊緣波束質(zhì)量往往較差,應(yīng)適當(dāng)減小波束角,提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。水深濾波是指根據(jù)水域情況設(shè)置水深測量范圍,濾除淺層噪音干擾和海底多次波。在多波束資料采集過程中,應(yīng)根據(jù)當(dāng)前水深對未來一段時間將要測量的水深進行提前預(yù)判,設(shè)置相應(yīng)的濾波參數(shù)。合適的濾波參數(shù)可有效濾除較多的噪音信號,較準(zhǔn)確地跟蹤海底。水深測量范圍與實際水深值越接近濾波效果越好,采集的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量就越高[9]。

多波束資料采集時,由于海底地形突變的影響,條帶覆蓋寬度急劇變化,導(dǎo)致相鄰條帶間產(chǎn)生空白區(qū)域,因此野外應(yīng)時刻關(guān)注監(jiān)控窗口,根據(jù)當(dāng)前測量水深對地形和條帶覆蓋寬度進行提前預(yù)測,及時提醒駕駛臺適當(dāng)修正航線。在一些地形復(fù)雜的區(qū)域,由于水深變化大,海底跟蹤易出現(xiàn)異常,導(dǎo)致采集到假數(shù)據(jù)。我國南海東沙海域調(diào)查區(qū)局部海底地形如圖4所示,紅色區(qū)域地形原本是一個平頂海山,海山周圍水深變化大,山頂至山腳水深為380～1 800 m,由深水向淺水進行資料采集時海底跟蹤出現(xiàn)異常,換能器接收到來自海底的虛假信號,水深曲面上形成虛假地形。對于出現(xiàn)異常波束的區(qū)塊應(yīng)進行重新測量,補測后的調(diào)查區(qū)局部真實海底地形如圖4c所示,海山頂部平臺地勢較平坦,水深為380～420 m。

另外,在海山、海溝和丘陵等地形復(fù)雜區(qū)域,應(yīng)重點對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量進行實時監(jiān)控,合理控制船速,及時調(diào)整濾波參數(shù),避免濾除有效數(shù)據(jù)。對于由于水深突然變淺、條帶突然變窄而產(chǎn)生的較大空白區(qū)域,需加布測線對其進行補測。

2.5 吃水測量

多波束測深作業(yè)前后應(yīng)測量換能器的吃水深度。在實際作業(yè)過程中,船載生活用水和燃料的不斷減少導(dǎo)致船體和換能器的吃水深度減小,調(diào)查后期為了保持船舶穩(wěn)定,一般會往水倉加注海水,換能器吃水深度又會增加,因此在加注壓倉水前后應(yīng)測量換能器的吃水深度。測量吃水深度應(yīng)選擇在海況良好、船體處于平穩(wěn)狀態(tài)時進行,多次測量互差應(yīng)小于10 cm,取其平均值作為當(dāng)前吃水深度。后期數(shù)據(jù)處理時將作業(yè)期間換能器吃水變化輸入到船配文件中,以消除換能器吃水變化對數(shù)據(jù)精度的影響。

2.6 潮汐測量

在深海海域,資料處理時可利用預(yù)報潮汐或不加載潮汐數(shù)據(jù)；但在海岸帶等淺水海域,水深淺、潮汐將對成果資料產(chǎn)生重要影響。另外,近岸淺水海域潮汐性質(zhì)較復(fù)雜,加載預(yù)報潮汐后相鄰測線條帶拼接仍會出現(xiàn)異常,不能完全消除潮汐產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差。如果工區(qū)附近有可用的潮汐觀測站,則利用潮汐觀測站數(shù)據(jù)進行潮汐改正；但在實際海上作業(yè)時,潮汐觀測站距離目標(biāo)工區(qū)往往較遠,潮汐觀測站數(shù)據(jù)與工區(qū)實際潮汐存在明顯差異,因此需合理布設(shè)臨時驗潮站,記錄資料采集期間的實時潮汐數(shù)據(jù),用于室內(nèi)資料處理潮汐改正。

2.7 聲速測量

聲速剖面是影響多波束測深數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素之一。多波束資料采集時,海水聲速結(jié)構(gòu)的不均勻性導(dǎo)致聲波傳播方向發(fā)生改變,產(chǎn)生聲線彎曲[11],從而使海底地形發(fā)生畸變,直接影響多波束測深數(shù)據(jù)的精度[9]。影響聲速的因素主要包括溫度、鹽度和壓力,其中溫度對海水聲速影響最大,且聲速隨海水溫度、鹽度和深度的增大而增大[12]。表層聲速對測深精度的影響最顯著[13],當(dāng)表層聲速偏小時,邊緣波束對稱上翹,條帶呈“笑臉”狀；當(dāng)表層聲速偏大時,邊緣波束下凹,條帶呈“哭臉”狀；表層聲速過大或過小均會使相鄰條帶拼接產(chǎn)生異常,異常區(qū)域地形曲面上呈“隆起”或“溝壑”狀。

在海岸帶等淺水海域,水質(zhì)情況比較復(fù)雜,水溫隨時間變化的特征顯著；而海水溫度對聲速影響最大,同一位置在不同時間測量的聲速剖面存在明顯差異[14],這種因聲速剖面變化產(chǎn)生的海底地形畸變現(xiàn)象在淺水域十分明顯。因此,多波束資料采集時應(yīng)合理布設(shè)聲速剖面測量站位,根據(jù)工區(qū)實際情況適當(dāng)加大聲速剖面在空間和時間上的分布密度[15-16]；在后續(xù)處理中利用實測聲速剖面進行聲速改正,可減小聲速剖面變化產(chǎn)生的水深誤差,以提高資料處理成果質(zhì)量。另外,數(shù)據(jù)采集時應(yīng)注意觀察實時監(jiān)控窗口,當(dāng)實時表層聲速發(fā)生較大變化或邊緣波束出現(xiàn)對稱彎曲現(xiàn)象時,應(yīng)及時更換或重新測量聲速剖面。

3 結(jié) 語

根據(jù)參數(shù)校正、海況、條帶覆蓋寬度、濾波設(shè)置、換能器吃水、潮汐和聲速等影響多波束測深資料采集質(zhì)量的因素,本文針對資料采集各環(huán)節(jié)中的問題,詳細闡述了要點以及相應(yīng)的處理方法,提高了多波束測深資料采集現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)控的水平。該方法可為多波束測深資料采集提供一定的技術(shù)指導(dǎo),為室內(nèi)資料處理提供高質(zhì)量的原始資料,以提高資料處理成果的精度和質(zhì)量。