多波束测绘系统在现代海洋测绘中的应用研究

多波束测绘系统在现代海洋测绘中的应用研究

张源

山东省烟台地质工程勘察院 山东省烟台市 264004

摘要：海洋测绘面临的环境较为复杂，主要包括洋流流速变化、水位影响、海底复杂地形以及上述多种因素综合交叉影响。现代海洋测绘中，相关海洋测绘系统必须快速、准确地对复杂条件下的海底地形进行测量，对海洋事故的位置和状态进行快速可靠成像，特别是在应急测绘过程中做出稳定可靠的快速响应。海洋测绘工作的精确度，直接影响到海洋紧急情况处置的能力表达，也关系到海洋紧急情况的快速处置能力发挥。基于此，本文就对多波束测绘系统在现代海洋测绘中的应用进行分析和探讨。

关键词：多波束测绘系统；现代海洋测绘；应用

1多波束探测系统单元及工作原理

1.1系统单元

多波束测深系统利用发射换能器基阵向水底发射宽覆盖扇区的声波，并利用接收换能器阵列接收由海底反射回来的窄带回波。发射基阵和接收换能器基阵互相垂直形成米尔斯交叉阵，通过发射、接收扇区指向的正交性形成海底地形的交叉测量点（波束脚印），通过对这些交叉测量点进行专业的处理，一次测量就能给出与垂直航向的垂面内数百个水底测量点的水深值，当多波束测深系统沿指定测线连续测量并将多条测线测量结果合理拼接后，便可得到该区域水底地形的三维特征。

多波束探测从设备组成来看，主要包括系统主设备、定位装置、传感器、声速辅助装置等5个单元。多波束换能器决定了探测系统数据分辨率，差分GNSS接收机负责系统定位，传感器实时采集测量船的姿态及航向数据，声速剖面仪测量声速剖面数据，用于校正声速曲线。除此之外，辅助设备还包含了导航和数据处理软件。

常用的多波束探测系统型号为R2Sonic2024，该系统主要通过波动物理原理的“相控阵”方法，能够很准确地定位256个波束中每个波束的位置，其指向性可控制到0.5°。然后根据每个波束位置上的回波信号用振幅和相位方法确定深度，同时，具备TruePix功能，可以直观得到水下地形及其类型等图像资料。

1.2技术原理

多波束探测系统通常我们也习惯性称之为声纳阵列探测系统。随着多波束测深技术的不断发展，现在已相对成熟。主要体现在波束数增加、波束宽度变小、总扫描宽度变大等特点。比如1997年的首台SeaBeam系统波束数只有16个，而目前已经增加到100多个；波束宽度从原来的2.67°减到目前的1°至2°，总扫描宽度已经增大到近180°。不仅如此，实际运用功能也变得更加强大，目前多波束测深系统不仅实现了测深数据自动化和绘制水下彩色图等功能，而且可以利用多波束声信号进行侧扫成像，提供直观测时水下地形特征。

多波束探测系统是利用超声波原理进行工作的，在这方面，其原理和单波束的一样，但不同的是多波束系统信号接收部分由n个不同角度且相互独立的换能器完成，所以每次能采集到n个不同的测点信息。

2测绘实例

对某海港计划航道进行了一次航道适用性评测工作，其采用的多波束探测仪为海卓MS200浅水多波束水深探测仪，其工作原理是利用水下声呐单元发射和接收脉冲声波的原理进行探测，通过水下物体的反射声波回馈时间差判断浅水水体深度。采用的数据采集分析软件包为PDS2000软件包，采用的声呐频率为400kHz，点云数量为512点位，发射扇区角度为165°，PING速率为50±1Hz。

该系统可对浅海海底地形形成一个完整的覆盖面，即其最终可以对浅水海底形成一个面数据，因为采用了1500t载重吨工程测量船舶平台作为载具，平台稳定性较好，平台甲板舱室空间充足，所以其数据实时采集和处理系统及数据后期处理软件包均在船舶平台上及时完成，有效提升了测量效率。

2.1测量平台的搭建

GPS系统采用了基于GPS－L1船载平台的高精度定位系统，因为该系统的传统构建模式下水平精准误差仅能达到±2.5m，所以，借助35m的船长和4.6m的舷宽通过基于5个GPS－ＲTK探头的多系统联合平差算法，将系统水平精准误差整合到±0.5m级别，同时通过控制5个GPS－ＲTK探头的高度差，将高程误差整合到±0.2m级别。这一测量策略在陆基测量中较难实现。因为本文的5个GPS－ＲTK探头，1个安装于船头甲板前缘，2个安装于船尾甲板后缘两侧，2个安装于通信桅杆两端。5个探头的最大水平距离为35m，最大垂直高程距离为7.3m，且基本固定5个探头的相对位置保持稳定，这给GPSＲTK的平差计算带来了较大优势，而陆基GPS－ＲTK平差计算的高精度结果一般只能达到±1.2m水平。

2.2测量过程分析

因为使用的海卓MS200可以任意调节发射探头和接收探头的发射和侦听角度，所以，面向陡峭水下断崖地形、水下构筑物等可以通过加大测量角度，使航线在不同角度、不同水平距离条件下多次通过待测量区域，从而获得更加精确的水下复杂地形测量数据。但对较平坦地形，则应保障船舶平台通过的角度和水平位移差距，确保水下扫描角度基本保持一致且具有一定的航线冗余和照射脚印重叠度。当然，在测量过程中，船舶平台应远离水下浅部礁石、沉船、构筑物等，保障测量船舶平台的航行安全，也保障深部拖拽系统的安全。

通过海卓MS200提供的高分辨率高精细度的海底平面彩图，确定异常区域(一般为近似船型、矩形、圆形等规则形状)，进一步通过不同探测角度和不同水平距离的多次通过测量，获得该异常区域的高精度三维模型图和三维点云图，从多角度分别给出沉船及水下构筑物的位置、大小、高度信息，判断其对航道的影响。必要时可以为打捞或者拆除等清理工作的规划设计提供数据支持。

根据海卓MS200提供的海底平面彩图、三维模型图、三维点云图等，确定海底礁石的初步分布情况，对不能精确标定(平差计算时发现多次测量点云点阵离散度较高)的目标，通过上述中测量方法，使用多次通过和多角度测量的加强测量模式，对该礁石进行加强扫测，直至该礁石的整体形态得到清晰的数据表达。必要时通过海卓MS200的侧扫成像功能对水底目标进行加强扫描。

海洋测绘与陆基测绘的最大差异，在于海洋测绘的内外业同步推进策略，即在船载平台上构筑足够复杂的内业系统，实时对测量数据进行分析，随时根据分析结果调整外业测量方案。

结语

综上所述分析，第一，通过倾斜测量和侧扫测量并配合多次多角度不同水平位移距离的多次通过测量区的冗余测量机制，可以对常见盲区，包括海底陡崖、沉船、水下构筑物等进行高精度成像，且可以对浅滩、礁石、边坡等浅水巷道的常见问题进行详细数据描述，同时可以提供海底平面彩图、三维模型图、三维点云图等测量成果。第二，海卓MS200的免安装校准功能可以有效减少多波束海底测量过程的工作量，通过本文的实际测量结果，可以确认免安装条件下的MS200多波束测量结果可以达到本文个案要求的港口进出港航道控制测量需求。第三，当前系统条件下，针对礁石、浅滩、水下断崖、沉船、水下构筑物等影响航道安全的重点测量区，还必须采用多次测量的方式提高测量精度，才可以让这些关键部位的细部数据得到充分体现，标志着海卓MS200系统仍然存在一定的局限性，但此局限性可以在加强测量过程中通过投入更多工时得到有效规避。

参考文献

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