海洋測繪中測深技術的探索

摘要：面對復雜的水下測繪條件，傳統單波束測深技術已無法滿足海洋測繪要求。隨著如多波束測深、機載激光雷達等技術的發展運用，水下地形測繪精度或作業效率得到了進一步提升。測深技術的發展面臨著水下環境復雜、作業條件受限等難題。鑒于此，以海洋測深技術作為探討對象，從技術發展和實踐應用雙重維度出發，闡述多項主流海洋測深技術的應用方法，為水下地形測量在技術選擇層面提供相關參考。

關鍵詞：海洋測繪 測深技術 機載激光測深技術 多波束測深技術 遙感反演技術 側掃聲吶

Exploration of Depth Measurement Technology in Marine Surveying and Mapping

CAO Guangsong"" PAN Xuanning"" XIAO Yizhe

Jiangsu Institute of Surveying and Mapping Engineering， Nanjing， Jiangsu Province， 210019 China

Abstract： Faced with complex underwater surveying conditions， traditional single-beam depth measurement technology can no longer meet the requirements of marine surveying and mapping. With the development and application of technologies such as multi-beam depth measurement and airborne LiDAR， the precision and operational efficiency of underwater terrain surveying and mapping has been further improved. The development of depth measurement technologies encounter various technical challenges， including the complexity of underwater environment and limited operational conditions. In view of this， taking ocean depth measurement technology as the exploration object， starting from the dual dimensions of technological development and practical application， this paper focus on the application methods of multiple mainstream ocean depth measurement technologies in order to provide relevant guidance for technical selection in underwater terrain measurement.

Key Words： Marine surveying and mapping; Depth measurement technology; Airborne laser depth measurement technology; Multi-beam depth measurement technology; Remote sensing inversion technology; Side scan sonar

隨著經濟的快速發展，我國對自然環境的開發利用程度不斷加深。高質量水下地形數據獲取在推動海洋資源開發利用、維護國家主權和安全發展利益方面發揮著重要作用。海洋水下地形數據的獲取主要依賴測深技術，受到海床上方覆蓋的水體環境影響，測深任務開展多以船只搭載回聲式測深儀器形式為主。在當前社會發展的新時期，各種先進的技術在不斷地發展和應用，在海洋測深技術中，需要不斷更新和調整測繪技術，以為海洋事業的發展提供更大的支持。

1 海洋測深技術的發展趨勢

海洋測深技術經歷了從簡單到復雜、從粗略到精確、從單點到大面的發展過程。早期的測深通過測深桿、繩索掛載重物沉至海底或壓力計估算來進行，這些方法獲取的數據精度不高且效率低下。隨著回聲測深構想的提出和聲學換能器的出現，測深技術才真正邁入了精細化應用階段。最早的回聲測深中應用的是單波束測深儀，該種測探技術具有簡便、可靠的特點，但在面臨高分辨率任務需求時，需要不斷加密測線分布，從而帶來成本高、效率低的弊端。隨著多波束水深測量技術的出現，海洋水深探測從單點轉變為二維探測，大大提高了水深數據覆蓋分辨率。激光器技術的發展改善了探測電磁波穿透水體的能力，從而發展出了激光雷達測深技術。激光雷達能夠通過航空器進行搭載，脫離了船測載具限制，具有更高的效率，并且能夠實現水上水下一體化測量。但激光在穿透水體時受水體折射和強度衰減的影響，激光雷達測深僅適用于在水陸交界、水色條件較好的淺水區域^[1]。

除了直接探測獲取水深外，反演手段也可以用于水深數據的獲取。常規的可見光遙感影像反演手段通過建立可見光影像和實測水深之間的關系模型來獲取影像中的水深信息。基于流場對海表粗糙度的調制原理，可以通過SAR[ 1]"遙感影像在溝壑發育的淺水區域反演水深信息。基于近岸海浪受地形變化影響傳播變形的原理，可以通過海浪遙感影像來反演水深數據。由于遙感反演所使用的觀測要素受水深變化的影響，并非是線性和直接相關的，因此僅能在特定淺水區域取得較好的效果。但遙感反演手段具有數據源豐富、覆蓋范圍廣、時效性強等不可替代的優點，因此，相關的算法也在不斷地發展和完善。

類似于遙感影像，水下聲學圖像也包含著豐富的水深信息，亦可用于水深反演。典型的水下聲學圖像多由側掃聲吶進行采集，該類圖像有著較高的水平分辨率，能夠較為精細地反應水下地貌特征。水下聲學圖像經過校準、降噪，通過明暗恢復、陰影恢復高度、立體視覺恢復形狀等模型算法反算出影像中的Z軸方向信息，從而實現水深數據的提取。除直接利用側掃聲吶圖像反演水深外，近年來，測深同側掃聲吶進行體系融合構建的三維地形測量也在開發和探索，有望通過技術融合發展進一步解決船載平臺測繪生產效率和數據質量之間矛盾^[2]。

2 海洋測繪項目中的測深技術及其應用方法

2.1 機載激光測深技術

機載激光測深技術作為一項主動測深技術，以無人機等航空平臺作為載體，部署發射裝置和接收裝置，向水底定向發射、接收激光束。具體發射2種波段激光，當前主要選用1 064 nm波長紅光和523 nm波長綠光，根據回波信號空間位置的計算結果來確定水深數據。激光測深計算公式為

式（1）中：Z為海面至海底深度；G為光速；△T為2種波段接收時間差；n[ 2]"為海水折射率。

機載激光測深技術具備覆蓋范圍廣、測量效率高的優勢，但也存在限制條件眾多的局限性。電磁波穿透海水期間，激光強度出現明顯衰減現象，實際穿透能力取決于激光發射能量、海底反射率、海水透明度等多項因素，當前主要用于完成水陸交界區域的淺水海洋測深任務，最大測深范圍不超過50 m。

機載激光測深技術實踐應用時，應重點關注偏差修正問題，根據偏差方向、偏差程度，對測量結果進行修正處理^[3]。例如：對于激光脈沖影響，正常情況下，掃描天頂角設定在15°～20°，散射深度不足6 m，激光束傳播期間，往往會形成1～5 cm不等的深度偏差；對于海水折射率影響，需要提前收集項目資料信息，以確定海面波高斜率譜分布情況，來修正海浪對測量的影響。實踐證明：當海面風速達到10～12 m/s時，未經過波浪校準時的深度測量誤差會達到1%～2%水深；經過海浪校準后，該部分測量誤差可以忽略不計。

2.2 多波束測深技術

多波束測深技術通過發射換能器陣列向海底區域發射寬扇區覆蓋聲波，同步接收反射回來的窄波束，形成面向海底地形的照射腳印，后續根據腳印處理結果，精準掌握水深值和海底地形；單次探測作業可獲得百余個和工作船舶航向相互垂直的海底探測點水深值，并根據水下目標大小、形狀與高低變化情況，精準描繪海底地形三維特征。測深系統由船姿傳感器、數據采集工作站、聲速剖面儀等部分組成。多波束測深技術和早期單波束測深技術的工作原理基本一致，主要區別在于，多波束測深系統部署若干換能器單元組成的換能器陣列，單次探測作業可以發射、接收多個波束，由點式測量方式過渡到條帶式測量方式，測量效率有所提高^[4]。

多波束測深技術實踐應用時，對于傾斜測量問題，早期主要采取垂直測量技術，面對崖壁等海底特殊地形，以及水下建筑物、沉船等水底目標，容易形成測量盲區。為此，需要把發射接收換能器陣列的安裝方式從水平安裝變更為傾斜安裝，從而消除測量盲區死角。對于免安裝校準問題，應盡量配備自身具備安裝校準功能的新一代多波束測深系統。通過內置高精度光纖慣導裝置，測量人員無需手動開展繁瑣的校準操作，即可直接啟動系統進行測量，自動把不同模式下的測量數據相互拼接。多波束測深技術有著鮮明的優缺點：優點在于獲取高密度高深度信息；缺點在于單次探測范圍有效，需要連續開展多次作業才能實現全覆蓋式測量目標。

2.3 遙感反演技術

最常用的遙感水深探測方法為基于可見光的被動多光譜遙感水深反演。在電磁波譜段中，可見光具有最大的大氣透過率和最小的水體衰減系數，因而是水深遙感反演的最佳譜段范圍。20世紀60年代遙感技術出現，并利用可見光反演水深方法得到了迅速發展，形成了多種多樣的統計和理論模型。

理論解析模型是基于水光場輻射傳輸方程，建立光學遙感器接收到的輻亮度與水深和底質反射的解析。實驗驗證，理論模型在20 m水深范圍內反演誤差為2.4 m^[5]。雖然理論解析模型精度較高、物理普適性較強，然而，在模型構建過程中所需的水體光學參數眾多，計算復雜且獲取困難，從而使理論解析模型的應用受到了限制。

統計模型通過直接建立遙感圖像輻亮度值與實測水深值之間的統計關系來得到水深反演模型。其表達式多種多樣，常見的表達式主要有冪函數、對數函數、線性模型等。其在特定場景下能夠取得較好的水深反演效果。人工智能方法的運用將水深反演統計模型算法提升到了新的高度。以最常用的神經網絡模型為例，其對非線性系統具有很強的模擬能力，采用神經網絡訓練的水深反演模型適應能力較強。但建立此類模型需要大量訓練樣本，這本身就限制了神經網絡模型的應用能力。

此外，還有采用理論模型和經驗參數相組合的方法來實現被動光學遙感水深反演，其通過對理論解析模型參數進行合理簡化，使其在具有一定普適性的前提下顯著減少模型參數，從而在反演的計算量和水深反演的精度方面取得平衡。

2.4 側掃聲吶圖像水深反演技術

側掃聲吶是海洋測繪中用于海底表面探測聲學系統。不同于單（多）波束測深系統通過生成海底高度等深線來描繪海底地形，進而實現水下目標物成像方式，側掃聲吶通過記錄海底向后散射回波強度，根據回波強度生成明暗不同聲吶圖像。側掃聲吶系統在水下地形探測中具有顯著優勢：可以獲得厘米級橫向分辨率的海底地貌圖像，相同掃幅寬度分辨率遠高于單（多）波束系統，操作簡便，價格便宜，作業效率高等。因而，基于側掃聲納圖像水深反演技術具有很高的開發和應用價值。

側掃聲吶的后向散射回波強度與海底地形之間存在明顯的依賴關系。側掃聲吶圖像中的陰影長度包含了目標物凸起的高度信息，因而，海底目標物高度可以從目標物陰影長度和換能器位置來推算，由此理論發展出的陰影恢復高度算法適用于水下目標物三維重建。但該方案中，陰影對微地形信息反應不完全，導致該類方法無法反映出小微地形結構。另一種方案是通過一系列從不同角度得到的聲吶圖像對目標物進行三維成像，以此來恢復目標物大小和位置。此類方法被稱為立體視覺恢復形狀法，精度較好，但其圖像獲取操作繁瑣，圖像處理較為復雜反而失去了側掃聲吶優勢。第三類方案通過圖像明暗變化來獲取表面相對高度，又稱明暗恢復形狀法（Shape From Shading，SFS），是計算機視覺領域經常使用的一種技術，也是側掃聲吶三維圖像重構研究較多的一類方法。SFS方法中，又可分為最小化法、局部分析法、演化法、線性化法等^[6]。在不引入外部約束的情況下，第三類方案獲取的水深信息精度有待進一步驗證。當此類方法引入測深數據作為約束條件，能夠顯著提高水深探測的準確性。在側掃聲吶作業同時，部署單波束測深儀采集水深數據，也是較為經濟可行的方案。

3 結語

綜上所述，直接、間接式水深測量技術在近代以來不斷豐富和發展，不同的測深技術有著不同的適用條件和測繪精度。測繪人員可以結合項目測繪條件，靈活運用聲學式測深、機載激光測深、水深反演等多種技術作為水下地形數據獲取手段，結合多元化信息展示技術，呈現最佳的測繪成果，為海洋資源的開發利用提供有力信息支撐。

參考文獻

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