现代海洋测绘中多波束测绘系统的运用

现代海洋测绘中多波束测绘系统的运用

任文强 ,罗发

浙江山海海洋工程技术有限公司  浙江省  310051

摘要：随着我国对海洋测绘工作的不断深入，对于水下测量数据质量要求不断提升，进而传统的海洋测绘技术不能满足发展需求，测量数据信息的精准度不达标。因此，为了缓解这一现象，引进多波束测绘系统，推动我国海洋测绘工作变革发展，以多波束测绘系统为基础，对水下地形、沉船等进行详细的数据测量，满足现代海洋测绘发展需求。基于此，本文以现代海洋测绘中多波束测绘系统应用为研究对象，以多波束测绘系统为着手点，结合实际工程案例，探究多波束测绘系统的实际应用，旨在保证多波束测绘系统在现代海洋测绘中发挥出该有的作用。

关键词：海洋测绘，水下地形测量，潮位观测

引言：

    由于海洋测绘工程的特殊性，在测绘工程中受环境因素的影响，如水下地形、洋流、水位等等，对于影响因素控制不到位，将会直接影响现代海洋测绘数据的精准性。在现代海洋测绘中，对于测量数据的精度要求不断提升，为了实现这一目标，积极引用多波束测量系统，将现代于海洋测量数据误差控制在厘米级，同时，多波束测绘系统的组成构建较为便携，应用操作较为简单，能够减少现代海洋测绘外业成本消耗，因此，多波束测绘技术在我国应用较为广泛，推动我国现代海洋测绘变革发展。

一、多波束测绘系统概述

（一）多波束测绘系统组成分析

    多波束测绘系统是我国海洋测绘中的先进技术手段之一，综合现代空间测绘技术、声呐技术、信息处理技术、计算机技术等为一体的现代化新型水下测绘技术系统，通过多波束测绘系统向水下环境开展高精度的测绘技术。现阶段，Sea Bat 7125是当前最为先进的多波束测绘系统，以OCTANS光纤罗经、传感器、声速剖面仪、侧扫图像处理系统、数据处理软件等等组成[1]。因此，在现代海洋测绘中应用多波束测绘技术，能够突破传统测绘技术的限制，提升测绘数据的精准性。

（二）多波束测绘系统特点

    以Sea Bat 7125系统为例，在其进行现代海洋测绘中，以带状的方式开展水下测绘，通过连续发射以及接收波束，再对波束进行全面的数据处理分析，掌握现代海洋测绘详细数据。Sea Bat 7125系统的测绘覆盖面较广，能够在海洋中形成100%的覆盖率，与传统的单波束相比，Sea Bat 7125系统波束角较窄，能够反映出水下细节部位的变化。单波束是通过点、线的方式开展现代海洋测绘，主要是反映出现代海洋整体的情况，对于细节部位的数据测绘效果远不如Sea Bat 7125系统。多波束测绘的数据信息更为精准，覆盖面积更广，而单波束测绘技术存在一定的数据误差。另外，多波束测绘系统能够向水底投射128°的善行覆盖面，接受其形成256个动态聚焦波束，测绘深度分辨率为5cm，利用声呐设备监控波束情况，保证多波束海洋测绘数据质量[2]。

（三）当前海洋测绘多波束测绘系统应用效果

    现阶段，在现代海洋测绘中，基于水下地形、测绘控制、海洋水深等方面制定测绘海图，再将其与数字化技术相结合，提升海图编制质量。但是，数字化海图编制与传统纸质版海图编制相比，其制作工艺较为复杂，数字化海图的需求量不断增加，是在传统海图编制的基础上进行技术改造。在现代海洋测绘中，测量海洋水深是关键，现阶段的单波束技术转换至多波束技术，海洋水深测量水平得到发展。但是，在测绘技术变革发展的背景下，海洋测绘商品的种类减少，测绘的工作量不断增加，导致海图编制的压力加大[3]。

二、多波束测绘系统中海洋测绘案例分析

（一）工程概述

    对A海港计划航道进行适用性测评，以海卓MS200浅水多波束水深探测仪设备基础，基于声呐单元发声以及接收，完成海洋测绘工作，获取海洋详细的数据信息。在海洋测绘多波束数据分析中，采用PDS2000软件包为主，声呐频率调为400kHz，点云数量为512点位，发射扇区角度控制在165°，其他详细数据信息可见表一[4]。

    多波束测绘系统在A海洋水下形成一个较为完整的覆盖面，收集浅水海底的相关数据信息，采用1500t的船舶作为主测绘载具，该船舶的稳定性较高，空间较大，能够满足后期海洋测绘数据分析的需求。

表一  测绘平台参数表

（二）多波束测绘目的

（1）任意角度倾斜测量

    采用倾斜测量点云处理方案，对A海洋水下进行倾斜扫描测量，保证任意角度测量数据的精准性，获得海洋浅水水底高清图像，为后续海洋测绘提供详细的数据信息[5]。

（2）航道水深测量

    在进行航道水深测量中，主要对其航线两侧150m部位的水深进行测量，基于多波束测量系统以及测扫功能为主要技术，保证航道两侧水深测量数据的可靠性

[6]。在实际测量过程中，积极安装高精度的校准以及数据拼接平差，提升数据计算的精准，同时，增加测量平台通过次数，最大限度的提升测量数据的精准度。

（3）构建海洋测绘测量平台

    在该多波束测绘系统中包含出船载系统、拖拽系统、GPS系统等等，例如表二所示，其中配备一定的数据信息处理软件，保证海洋测绘数据的精准性。GPS系统采用GPS-L1定位系统，其误差控制在±2.5m左右，因此，实际测绘中，在船载系统中安装5个GPS-RTK探头，将海洋测绘的总体数据误差控制在±0.5m左右。因此，在5个GPS-RTK探头安装中，在船头、船尾两侧、两个通信桅杆部位，将5个GPS-RTK探头的平面安装距离控制在35m，最大垂直度高程控制在7.3m，5分探头布置的位置相对较为稳定，是保证GPS-RTK缩减数据计算误差的关键，通常，在陆基海洋测绘中，测量误差通常在±1.2m左右，难以达到±0.5m误差精度[7]。

表二  船载系统构成表

    基于表二数据能够看出，在多波束测绘系统中，船载系统能够基于拖拽数据信息获得海洋底部的重力、深度等数据信息，同时，能够对浅水水底进行高精度的点云绘图进行测量。

    例如表三所示，拖拽系统是由两个模块组成，浮力浅拖拽以及深拖拽，两个模块是由光电复合拖缆与船舶平台的拖拽绞车结合，基于浅拖拽模块测量海洋内部的磁力以及重力环境，深部拖拽主要是对水底的多波束点云进行详细的测量，基于CTD获取海洋盐度以及水温，并结合实际情况向USBL提供修整数据信息，保证深部以及浅部海洋测绘USBL修整参考值的精准性[8]。

表三  拖拽系统构成表

三、测量过程分析

（一）倾斜测量过程

    在该海洋测绘中，使用海卓MS200，能够实际情况调整多波束发射探头以及接收探头的侦听角度，即使水下环境测绘难度较大，能够对航线不同角度进行水下测量，掌握海洋全面的数据信息，收集复杂海洋地形数据。在水下环境相对平坦的工作测量中，实时调整船舶平台的角度以及水平位移差，保证水下扫描角度与其保持一致。在实际测绘施工中，相关技术人员一定要控制较好船舶的位置，避免在其运行中与礁石、水下沉船、构筑物等物体发生碰撞，影响船舶运行稳定性，增加测量安全风险。因此，做好安全防护，避免在运行中发生碰撞，保证船舶平台运行以及拖拽系统的安全性[9]。

（二）水下沉船扫测

    基于海卓MS200提供清晰的海洋平底彩绘图，在水下测沉船扫描过程中，对于存在异常区域进行详细的勘察，基于不同的测量角度以及水平距离，获取异常部位的高精度的三维模型图以及三维点云图，基于详细的数据信息，综合考量多重因素，确定沉船以及水下构筑物的位置以及其他基本数据信息，探究其对A航道测绘的影响，基于实际情况作出相应的处理措施，保证后续测量作业稳定开展。

（三）礁石扫测

    基于海卓MS200提供的详细海底平面图、三维模型以及三维点云图，确定水下礁石的具体分布情况，对于不能精准标定的目标，及时在开展水下沉船扫测施工，开展多角度的测量作业，强化水下礁石测量重视程度，直到详细掌握水下礁石分布情况。在海卓MS200测扫成像过程中，需要加强对水底目标物的扫描强度。

四、多波束测绘系统扫测数据分析

    通过上述分析，海洋测绘施工中，水深测量难度最大，主要是由于水下的地形特点掌握不够全面，受复杂地形以及水下物体的影响，导致海洋测绘数据信息的精准度不达标。而基于多波束测绘系统能够有效的避免这一问题，多波束测深数据处理过程是在Caris Hips & Sips中进行，首先，进行校准测量的数据处理，求出系统的横摇(Roll)、纵摇(Pitch)和艏向(Yaw)；然后基于该参数创建船型文件，输入Sonic 2024系统各辅助设备之间的相对位置信息，并利用该船型文件新建工程文件，再将原始观测数据导入创建工程，在完成导航数据、姿态数据、航向数据、水深数据等编辑后，分别进行声速剖面改正和潮位改正，在此基础上进行条带水深转换计算，在定义好测区地图参数后进行水深网格化，根据网格模型将水深数据分子区进行编辑，最后完成河床表面网格模型，并导出高程数据，能够全面测量海洋数据信息，提升测量数据的精准性。

结束语：

    综上所述，在多波束测绘系统的基础上，推动我国现代海洋测绘发展，在本文中，以MS200多波束测绘系统应用为例，结合软件包对A海港的航线进行测绘施工，基于海卓MS200的安装校准功能，减少传统海洋测绘工作量，基于测绘数据分析结构，在A航线中安装MS200多波束测绘系统能够达到现代海洋测绘数据精度要求。

参考文献：

[1]齐晓迪. 多波束测绘系统在现代海洋测绘中的应用研究[J]. 测绘与空间地理信息,2021,44(08):200-203.

[2]刘晓金,张媛. 三维侧扫声呐技术在海洋测绘中的探测性能评估及应用分析[J]. 海洋信息,2021,36(03):7-17.

[3]王崇明,杨鲲,隋海琛. “世越号”沉船打捞中综合海洋测绘技术的应用[J]. 海洋测绘,2019,39(04):79-82.

[4]纪君平. 多波束测深系统在现代海洋测绘中的应用研究[J]. 科技创新与应用,2019,(19):178-179.

[5]孟森. 综合性测量技术在海洋测绘中的应用[J]. 工程技术研究,2018,(03):71-72.

[6]张成,韩天培. 基于工程案例的多波束海洋测绘研究[J]. 科技创新导报,2018,15(05):23+25.

[7]汪连贺. 无人艇自组网测控一体化系统在海道测量应用中关键技术研究[J]. 信息系统工程,2017,(11):101-105.

[8]温志坚. 应用多波束测深系统的海洋测绘研究[J]. 科技资讯,2017,15(14):70-71.

[9]胡旺,向朝. 多波束系统测深应用及其质量控制研究[A]. 中国测绘学会科技信息网分会.全国测绘科技信息网中南分网第三十次学术信息交流会论文集[C].中国测绘学会科技信息网分会:中国测绘学会科技信息网分会,2016:304-309.