|
一、引言 多波束测深系统是一种由多传感器组成的复杂系统，具有扫幅宽、全覆盖、高效率和高精度的特点，可完成全海洋的高精度海底地形探测任务，在海洋活动中应用非常广泛。按照国际海道测量组织（IHO）规定的指标，多波束测深系统的测量精度等级分为特等、一等、二等和三等共四个等级，同时在定位精度等方面也有相关对应的要求。
由于系统的复杂性和海上工作环境的动态性，多波束测深过程中存在多种误差源，使得测深数据不可避免地出现多种误差，包括系统内部各种参数设置不合理引起的误差，以及各项外部环境因素造成的误差。主要包括： ⑴由于设备的自身噪声、海洋浮游动物返回的信号、多波束换能器参数设置不合理、定位定姿异常等多种因素，使得原始数据中出现明显异常。 ⑵因传感器安装、声速、姿态、吃水、潮位等因素导致的测量误差属于常见典型系统误差，如受外界因素特别是风、浪、流冲击影响，多波束换能器横摇安装偏差并不为一常值，而在测量过程中存在线性变化，因此会导致条带之间产生“V”系统偏差 ⑶换能器安装不牢固或与测量平台产生共振、姿态传感器与船体之间存在轴向不平行、姿态仪时间延迟不固定等问题均会导致姿态传感器测量值不能补偿换能器实际姿态变化，因此会在条带内产生“褶皱”状和“蝴蝶”状系统偏差。 ⑷潮位资料缺失或潮位控制不完备等问题易引起测深数据潮位改正不完善，从而引起条带数据出现拼接断层等系统偏差；表层声速或水体内声速测量不准确则会导致测深数据出现“笑脸”或“哭脸”状折射残差。 ⑸多波束发射阵在制造和使用过程中行波管和大功率微波开关的损坏，表层声速仪被海洋生物或淤泥堵住造成的表层声速测量误差。 ⑹波束形成过程中出现的故障，比如时间延迟、波束导向、底部检测。除此之外，设备性能问题以及核心零部件保养不当也是引起测深数据产生较大系统偏差的因素之一。 这些因素造成每ping一些固定序号的波束旅行时或波束发射角存在系统误差，引起这些波束号的测量位置发生系统性偏移，严重影响测深数据的精度以及后续处理工作。 本文针对2003年东海调查任务中SeaBat900X多波束采集地的一批数据，提出一种基于等均值-方差拟合模型的改正方法，对数据中出现的“W”状系统误差进行消除。该方法首先采用多项式拟合法分别对边缘正常数据和中央异常数据分别进行拟合，并对两区域数据分别求测深标准差，以边缘正常数据的测深标准差为基准，对中央异常数据进行压缩；然后将异常数据趋势线移动归位，使其趋势线与正常数据拟合的趋势线重合；最后，针对数据中存在的折射残差，利用面积差法进行消除，从而去除该“W”状误差，改善测深数据质量。
5 P. f7 L/ H$ e3 }) H
二、多波束测深“W”状系统偏差 及改正方法 ⒈“W”状测深异常成因 通常多波束测深数据处理主要包括数据编辑或滤波、声速改正、姿态改正、潮汐改正等过程。在这些处理步骤完成后，由于设备性能问题或核心零部件保养不当等多方面的影响，测深条带中部分固定序号的波束出现系统性偏移，以2003年东海调查任务中SeaBat900X采集地的一批数据为例，其常规处理后中央区域波束出现异常，两侧边缘波束相对正常，且由于数据本身存在折射残差，从而导致条带垂直于航迹方向呈“W”状，如图1所示。
图1 波束某条带出现的“W”型误差 该误差与常规误差表现形式不一致，比较常见的情况例如声速改正不完善会造成深度剖面出现“哭笑脸”形状，潮汐改正不完善会出现条带拼接断层现象等等。而本文描述的误差主要表现为条带中央波束附近数据规则隆起，经大量数据统计发现，其异常隆起高度约1m。 ⒉“W”状测深异常改正方法 一种等均值-方差拟合模型，其基本原理为利用边缘正常数据地形趋势和数据方差，对中央异常数据进行方差压缩和移动归位，使中央异常区域的地形趋势与正常区域一致，并基本保持异常区域数据间的相对关系，即认为设备故障虽然引起系统性偏移，但此区域的地形起伏信息仍是有效的。 ⑴拟合地形趋势线 由于设备性能引起的局部数据异常会使海底地形存在较大起伏，且具有一定的区域性。针对垂直正投影后的多ping数据，拟合出两条地形趋势线，一条为异常区域趋势线，另一条为正常区域趋势线。对此，首先对多ping正投影后的数据进行分析，得到异常区域与正常区域的大致分界点，然后分别针对正常区域和异常区域数据特点选择合适的拟合方法。由图2可得，本次数据边缘正常区域大致呈二次曲线，中央异常区域整体亦可用二次曲线进行拟合，其数学模型即Y＝Ax2＋Bx＋C。 异常区域拟合的趋势线与正常区域趋势线不可能重合，对其改正主要有两个步骤：其一为方差改正，压缩异常区域测深曲线起伏变化程度；其二为均值改正，移动异常区域趋势线至正常区域趋势线中。
图2 海底测深剖面线的二次多项式拟合效果图 ⑵异常区域地形起伏的压缩 受设备故障的影响，异常区域数据虽然起伏变化较大，但地形趋势及区域内相对变化仍可视为有效信息。因此，在削弱此异常现象的同时，还需保留异常区域内海底地形相对粗糙度，避免处理后地形过于平滑，与实际海底地形相差过大。因此，基于上述步骤得到的两条地形趋势线，比较正常区域与异常区域的水深方差，计算异常区域水深改正系数，从而将异常区域水深起伏程度改正到正常水平。 ⑶异常区域地形趋势线的归位 对异常区域进行相对地形压缩后，异常起伏现象基本消除，但异常区域拟合趋势线与正常区域拟合趋势线并不重合，一般不在同一高度，且不平行，如图3所示。图中深色线AD为异常区域拟合的趋势线，浅色线BC表示正常区域拟合后的趋势线。
图3 移动异常区域拟合线至正常区域拟合线 欲达到两者趋势一致的目的，需对异常区域地形趋势线进行平移。如图3中，需将AD移动到BC位置，则AD与正常区域拟合的趋势线基本重合。 ⑷折射残差改正 经过上述改正后，由于边缘正常区域数据存在折射残差，故改正后的数据整体会出现“笑脸”或“哭脸”假象；此外，由于缺少原始声速剖面数据，故可借助等效声速剖面法对数据中折射残差进行改正，从而消除该项误差。 三、实测数据分析 实测数据来自于2003年9月东海某区域多波束调查数据，测区水深约100m，条带覆盖宽度约700m，采用仪器为SeaBat900X多波束测深系统，本例采用其中4个条带的数据进行分析。对调查数据进行各项常规改正与处理，包括粗差剔除、声速改正、姿态改正、安装偏差校正和动态吃水改正等基本步骤，然后发现所有条带数据中央波束附近出现数据鼓起的异常现象，如图4所示。因此，判定为数据采集时参数设置不当或仪器有损导致，常规数据处理软件已无法继续处理。
图4 海底测深剖面线的二次多项式拟合效果图 在对原始数据进行处理时，首先对正常区域和异常区域分界点进行确定，经大量数据统计可得，中央异常区域大致处于波束号为20-80的范围内，边缘正常区域大致处于波束号为1-19和81-101的范围内。然后，分别对正常区域和异常区域进行二次多项式拟合，得到地形趋势线，如图4所示。 其次，为避免偶然误差影响，对连续7ping的波束均值曲线进行压缩处理。根据正常区域与异常区域的方差计算得到的改正系数，对异常区域水深变化进行压缩，压缩后的深度曲线起伏程度与两侧正常区域基本达到一致。如图5所示。
图5 中央异常数据压缩后示意图 从表1可以看出，中央异常数据压缩后，其与边缘正常区域地形趋势线的偏差得到缩小，其中平均偏差提高约8cm，偏差标准差提高约7cm，压缩过程较理想。 表1 中央异常压缩后数据统计表（单位：m）
在对中央异常数据压缩后，根据其与正常区域的趋势线，按照相关公式对其进行移动归位，如图6所示。 图6 移动归位海底测深剖面线中央异常数据 从表2可见，归位后中央异常区域数据质量得到较大提升，最大偏差和最小偏差均得到明显缩小，平均偏差提高约38cm，偏差标准差提高约10cm。最后，根据等效声速原理，基于面积差法对条带中折射残差进行改正。 表2 中央异常移动归位数据统计表（单位：m）
边缘波束由于波束开角过大，导致波束因发散而质量较差，因此，边缘波束内符合精度相对中央波束较差。改正后中央波束水深离散度趋于正常，中央波束异常区域方差变小，且改正后数据质量满足IHO规定的二等（水深＞100m）测深精度，改正效果较理想，如图7所示，其中红线处改正前后剖面图比对如图8所示。
图7 中央异常数据改正前后条带整体（左侧）与局部放大（右侧）三维光照地形图比对
图8 红线处中央异常数据改正前后条带剖面比对效果 四、结论 多波束测深系统在作业时，因设备发生故障而使得测深数据存在较大误差，由于存在一定规律性，因此可近似作为系统误差来处理。本文对多波束设备可能出现的故障原因和对水深引起的外观表现进行了深入分析，提出了基于等均值-方差拟合模型的改正方法。该算法也可应用于原始信息不全的离散数据的处理，为保证改正效果，声速改正、姿态改正、安装偏差改正、潮汐改正等常规步骤应先进行。 由于本文处理的是历史遗留数据，已不可能再重测，而且主要是设备本身性能问题引起，因此只能通过数学方法进行改正，尽可能改善数据；对于测量工作者，应在数据采集源头阶段，尽可能发现和避免该误差，从而保证测量结果的真实性与准确性。 1 END 1 【作者简介】文/李劭禹卜宪海胡浩李守军赵春霞，分别来自山东科技大学测绘科学与工程学院和国家海洋局第二海洋研究所。本文为基金项目，国家重点研发计划（2018YFF0212203；2017YFC1405006；2016YFB0501705；2016YFC1401210）、山东省重点研发计划项目。文章来自《海洋通报》（2018年第5期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，编发时对文本进行了删减，删除了公式推导及相关陈述部分。 相关阅读推荐 海洋技术▏浅水多波束测深资料处理关键技术探讨 海洋论坛▏多波束海底地形三维虚拟仿真研究 海洋论坛▏多波束声学底质分类研究进展与展望 海洋论坛▏刘胜旋等：一种多源DEM数据无缝拼接融合方法 海测讲坛▏陈义兰：海底地形测量数据处理与成果质量检验 经验交流▏多波束测深系统在水域安防系统中的应用 公众号 溪流之海洋人生 微信号▏xiliu92899 用专业精神创造价值5 K. i' e- ~8 Y |2 G: q# @; E
用人文关怀引发共鸣+ Y# M4 ]2 ^7 z+ y" g; v% U6 i2 K
您的关注就是我们前行的动力 投稿邮箱▏191291624@qq.com
! k9 H$ p2 F, I$ X' p | 
8 A/ A8 C, o1 G5 g2 k* @4 w
, c; T/ d& B/ j$ g3 B
4 {. b3 J3 r; V( ~! s" Q% w; S
8 P- L6 K& g, k