无人测量船高速发展下的多波束发展趋势探究

前言

, {, {6 z" s' _1 R

随着社会的发展，地理信息数据在经济发展中扮演着重要的角色，可以说地理信息数据是数字中国的基石，目前，陆地地理信息数据比较丰富，水下地形数据则相对单一，个别地区甚至是空白，因此水下测量技术的发展一直受人们的重视。

在测绘人的认知中，水下地形测绘工作就是搭载着单波束测深仪、多波束测深仪等测量声呐设备的船只在大江大河和海洋中游弋。因此，有船的地方就有办法获取水下地理信息数据。但是，在国内仍然存在大量人烟稀少无人达到的水域，而这些水域几乎没有船只。

同样，大量的浅水区和环保要求较高的水域，有人船依然难以到达，这均导致了大量的水域水下数据是空白的。随着技术的发展和成熟，以前的问题已不再是难题，无人化、自动化的无人测量船在此背景下应运而生，短短几年间，国内便涌现了大量的无人船相关企业。

' Q2 f7 [5 p. r9 n, U- Y

/ e6 \) h3 m% m, `( U+ t. ~

人们不禁要问，无人测量船的发展现状如何？作为无人测量船的测量技术，发展现状又如何？

目前无人测量船的发展有两大基本方向，一是在有人船领域，无人船对有人船的替代，二是有人船无法到达或不能到达（如环保要求）的水域，无人船对可测量水域的扩充。今天我们重点要说的应用场景：常规测量的盲区——有人船无法到达或不能到达的水域，针对此水域的无人测量船，要解决下放、回收、吃水、运输等一系列问题，因此无人测量船的小型化发展便成为发展趋势中的必然。

#1

小型化无人测量船的优势

无人测量船之所以能够达到所谓的测量盲区，因其具有以下几大特点：

6 i3 |* O8 R# H- l

01 安全系数高

对于很多未知水域或者浅水水域，如采用有人船载人作业或直接人员下水测量，由于其存在大量不确定因素，因此人员的安全风险极大，而采用无人船作业，人员无需下水，即可完成作业，安全系数大大提升。

; R( D, \4 A6 ?$ m0 f

02 体积小，重量轻，便于运输

很多待测量水域，有些远离人烟，有些山路难行，无法将传统的有人船运输至此进行测量作业，针对此类水域，则可以选择体积小、重量轻的无人测量船，轻松实现船只运输，下放，回收等，从而实现水域测量的目的。

03 重量轻，吃水浅

对于浅水区测量作业，往往是水下测量的难点，水浅，常规船只无法到达，人工测量效率低，安全隐患大。而无人测量船凭借其重量轻，载荷少，吃水浅的优势，完美的解决了浅水测量的难题。

+ w- _) c" }( z

04 自动化控制，跑线质量高

: s! `, ~) x/ s# g) C

从事水下测量的测量人员都知道，水下地形测量作业，一大难点是水域环境复杂，有人船难以严格根据布设的测线进行导航行船，往往是蛇形走位，跑线质量不佳，最终导致断面测量以及其它水下测量工作效率降低，数据质量降低，而无人测量船基于程序的自动化控制，实时精准的对船只的方向和位置进行修正，可以保证测量船只实时在线，跑线直，数据质量高。

; j L' [! i1 u* ~% E- S

当然，在传统的测量手段中，费用高，地形复杂，安装支架加工不便，安装不便，操作复杂等诸多问题，无人测量船都对其得到了很好的解决，这里就不一一陈述。

#2

3 w4 Q1 k2 m% v2 m

水下测量技术的发展

水深测量是水下地形测量的基本方法，通过测量水底各点空间三维坐标，可以让数据使用者对水下进行犹如陆上空间一般的研究、设计、施工、分析等工作。随着技术的发展，水深测量的技术手段也从原始的测深杆、水铊测深，发展到现在单波束测深仪、多波束测深仪等声呐技术测深。

在海道测量、水运工程测量、施工测量等普遍涉及水深测量的领域，单波束测深仪和多波束测深仪已经非常普遍，多波束相较单波束也有着众多优势以及更多的应用领域和方向，因此在水深测量领域，不管是技术层面还是行业发展趋势方面，多波束测深技术对单波束测深技术的取代已成大势所趋之势，虽然无人测量船目前还是以搭载单波束为主，但是随着技术的发展和市场的需要，无人测量船搭载多波束测量的方案将成为未来行业发展的方向。

那么到底什么是多波束，多波束又有哪些优势？下面，带大家简单了解一下多波束测深系统。

2.1

v6 m$ ^7 t/ ^# O' o

水下测量技术的发展

! v1 `# e$ W( n# h( V

多波束的技术要求也注定多波束测深系统是一组包含多种辅助传感器的测量系统，其主要由以下的软硬件产品组成：

5 c4 R- I# z( F! i/ h

（1）多波束测深仪；（2）GNSS定位系统；（3）表面声速仪；（4）声速剖面仪；（5）姿态仪；（6）罗经；（7）潮位仪；（8）显控软件（声呐工作控制软件）；（9）导航采集软件(记录声呐和辅助传感器数据)；（10）后处理软件；

# O; L+ N& {- @7 R+ R5 y+ O7 y5 L0 Q; e

（11）供电，采集计算机等其它工具；

以北京海卓同创科技有限公司的海卓MS400P多波束测深系统为例，其典型的系统组成示意图如下：

( M, R5 k: Y7 O$ C& j* ?6 @, F

系统组成这么多，这么复杂，多波束还有优势吗？答案是肯定的。

" s$ N D' @7 x" G6 ]

2.2

( j9 }+ G. n' f8 Q* b u9 G3 x

多波束的优势

, f6 u l: Y. G* R

多波束技术的出现，给水下测量工作带来了极大的突破，与传统的水深测量相比，多波束有以下几个比较明显的优势：

5 Y( h. E- j4 p' d% q

01 精度高

相较于单波束测深系统，多波束测深系统具备更丰富完善的传感器，在声速仪、姿态仪、潮位仪等高精度传感器的配合下可以测得更精确的水底坐标信息。如下图为单波束在风浪摇摆下测量误差变大，而多波束则不受此影响。

+ O# Q. Z* ^- b! ]1 H- E& o: @

) C5 s, T/ F9 N% V) c0 J

其次，单波束波束角大约为6-8度，而多波束则在0.5-2度之间，如北京海卓同创的MS400P和MS8200波束角均为1度，与单波束相比，多波束的波束角更小，其返回的水深值越接近水底真值，对地形走势的反映越准确。

02 分辨率高

3 o. _1 k$ T8 r; g: u Q5 a% a* q; P

接触过水深测量的都知道，单波束是一种“由点到线”的测量方式，每次测量只能测量一个水深点，随着载体及设备的航行移动，产生由点到线的测量结果；

5 @7 @4 p) u- h _1 V& Z) r

而多波束是一种“由线到面”的测量方式，一次测量即可得到垂直于航迹方向的几百甚至上千个水深点，随着载体及设备的航行移动，产生由线到面的测量结果。

单波束无论如何加密测量，均无法和多波束的全覆盖测量相媲美。

如上图为同一水下地形，由于单波束和多波束采集的水底点密度不同，造成的结果分辨率的区别，从效果图中可以看出，很多地形的细节是单波束无法反应和表达的。如下图，即便是单波束的加密测量，在分辨率上仍然达不到多波束的测量效果，仍然有大量的地形细节无法反应出来：

5 Y: G% h! W/ S e C- h0 e% P

上图中，左侧为单波束数据，右侧为多波束数据，通过此效果可以看出，单波束测量效果存在很多细节的丢失，在分辨率无法比及的情况下，生成的地形图的关键信息的丢失势必也造成了“成果精度”的下降。

, [5 [9 [9 o) E0 k4 q; s

03 效率高

/ r; S# ^% O0 q3 H& K2 v; i

单波束由点到线的测量到多波束由线到面的测量不仅仅是分辨率的提升，更带来水下测量效率的提升，随着多波束技术的发展，目前多波束已经能够以水深的6-8倍，甚至更大的扫测覆盖宽度进行扫测了，水深10米的水域同样进行1：500的地形图扫测，单波束5米一条测线，多波束则一条测线覆盖60-80米，效率远高于单波束测深仪。作业时长大大降低，效率大大提升。

从上图中可以看出，同样的地形扫测，多波束测测线总长度要比单波束要少很多，带来的直接结果即为多波束的地形扫测效率要高很多。

! A$ C/ j) ~! _1 j! L

#3

小型化无人测量船的发展对多波束的要求

5 s1 G( J* y/ X! a+ I

前面提到了小型化无人测量船如果要解决无船水域、浅水水域的测量问题，其必然利用其体积小、重量轻、吃水浅等优势，同样，要想适应其相关水域的测量作业，无人测量船势必向体积更小、重量更轻、吃水更浅等方向发展，而多波束测深系统作为其目前水下测量的先进技术手段，要解决无人测量船在浅水水域、无船水域的测量任务，其必须向更小、更轻、吃水更浅的无人船搭载靠拢，因此，要适应此类无人测量船的作业，多波束测深系统必须具备以下优势才会更容易使用。

: V5 R8 H4 |( f I* z; \

3.1

多波束应具备的特点

01 体积小，重量轻无人测量船的应用要求其吃水要浅，势必其载重要轻，无人测量船便于运输则要求尺寸要小，必定其载荷能力受限，因此要求其搭载声呐也必须体积要小，因此，要想更好的搭配更轻更小的无人船使用，多波束测深系统也必须体积小重量轻。

02 安全系数高

$ G$ R% T: \4 T+ y# r! X. U& P4 k

从前面提到的多波束的系统组成可以看出，多波束测深系统还是非常复杂的，其含有的辅助设备众多，很多组成部分不可或缺，而无人测量船本身体积小，则复杂多样的多波束各部分必须足够小，否则则无法进行安装，而高度集成化产品，降低总的设备体积，走线等方案，成功降低无人船搭载的难度。

03 免安装校准

使用过多波束的人都知道，多波束测深系统由于其传感器众多，在使用过程中必须进行安装偏差校准测量，而校准测量必须在特定地形条件下进行特定方向的数据采集测量作业，而在未知水域，甚至极浅水水域，要想找到符合校准条件的地形难度可想而知，甚至不存在其理想的校准地形条件，因此，多波束在此水域进行测量作业时，便要求其具备免安装校准的功能和特性。

% Y( u0 t# I1 W% d# C

04 极浅水测量技术常规多波束测深系统一般的有效测量范围为0.5米以上，个别产品甚至米级以上才可以使用，而对于极浅水水域来说，此测量范围显然不可使用，因此在极浅水水域使用多波束测深仪，必须解决近场问题。

, V1 ?* u$ l& W+ \5 y9 x% P0 _

3.2

小型化多波束的典范-MS400P

1 D: l0 F* v' l, J" k- \

前面提到了特定水域环境下对于多波束测深系统的要求，而目前市场上主流的进口品牌产品普遍尺寸较大，重量较重，其不适合小型化的无人测量船使用。而北京海卓同创公司的MS400P多波束测深系统在深入了解行业发展需求的情况下应运而生，这套多波束测深系统完全颠覆了传统认知，性能卓越、指标功能比肩国际成熟产品，却像单波束一样体积小、重量轻、功耗低、操作简单，使得一个人即可轻松完成复杂的水下测量作业任务。

- v: o& A* [) {' J) j7 F* l* y

3.3

- ~* M8 r- W7 i) ]

MS400P多波束特点

5 Z/ D/ Q& \& r% K# d3 f: X

01 体积小巧

体积小，就像一本字典，一个鞋盒；重量轻，探头只有6公斤；功耗低，低至40W；安装和单波束一样快捷方便。

- @! @% l) J: I* w8 x

02 主流指标

400kHz工作频率、512个电子波束、1°×2°波束宽度、143°波束开角、0.2-150m的测量范围、0.75cm测深分辨率、60Hz最大Ping率，都是主流先进浅水多波束的标准指标。

0 w% Y6 f# j! U# }. }

03 功能先进

+ n3 M9 h9 n6 Y9 O7 H9 W& G

近场动态聚焦波束形成、免安装校准、实时水体成像、实时横摇稳定、侧扫图像输出，具备多波束各种先进功能；

: Y, o4 M. S) Z" a6 I2 K B1 l

04 集成度高

一体化集成航姿测量仪，实现免安装校准和任意角度倾斜测量，表面声速仪、声速剖面仪一应俱全，根据需要还可选配海卓POS或其它外置姿态仪，解决各种场合应用需求。

2 `6 S6 k/ y2 h; y* L* j4 [

05 免安装校准

- M- t& |- g; j# M* p

MS400P多波束测深系统凭借其深度的“惯声融合”技术，通过特点的安装结构，实现了免安装校准，节省大量外业工作量。

2 c! }2 \7 {; M" ^# O: t

06 极浅水测量

f( G) U2 T8 v9 O$ M3 s! N

其采用了先进的动态聚焦波束形成，自适应旁瓣抵消等技术，确保了远近均清晰的效果，其有效测量范围为0.2~150米，非常适合极浅水测量使用。

7 S/ j/ ^6 n5 t/ C0 ?9 t9 O. V# V% _

3.4

无人测量船应用实例

MS400P多波束测深系统性能优良，无人船厂家在测量船选配多波束测深设备时通常会选择MS400P进行集成，目前已为国内外众多无人船厂家进行了搭配测试，可以说普适性非常好。

5 b3 z( U' E$ Z, T4 `" j9 z5 f3 h

云洲ME120无人船（船长2.5m）

优世达U160无人船（船长1.6米）

科微C170无人船（船长1.7米）

, b6 ]1 ] n) e" @0 t9 A

seafloor无人船（船长1.6米）

2 g/ {9 |! l2 n' R

#4

$ @ b# N; b2 w

展望

3 o/ e' }0 }4 d+ @( z

随着无人船技术的发展，随着多波束技术的发展，随着人们对大数据的渴望，人们的需求会越来越多，水下探测会要求越来越精准，探测频次会越来越多，我们可以大胆的猜测，未来一定是一个高效、可建数据模型、可做历史分析、可做演化趋势分析等的大数据时代。无论是对无人船还是传感器，需求都会越来越多，谁走在技术的前沿，谁就把握了未来的脉搏。

未来十年内，水下一定是一个大爆发的时代。各种无人平台，水面型的，水下型的，搭载各种探测声呐在完成各种各样的项目。我们甚至可以想象出这样的场景：

* v* w. \" l4 Z$ a) q. P

（1）无人测量更加轻松——各种无人载体搭载各种规格的多波束，在利用有限的测量窗口期进行组网测量，无人化，高效化，作业人员喝着咖啡坐在母船里各种无人化设备忙碌的样子；

) n6 F+ T4 B+ {, @7 ]: [, y3 r

（2）一机多用——未来，一台“多波束”即可实现多波束模式测深、侧扫声呐模式影像分析底质，图像声呐模式实现目标动态监测等功能，而这些看似复杂的事情海卓同创的多波束已经从技术上走在了前列。

（3）大数据分析——在这个人人都在争抢数据的时代，拥有更多的数据，就代表着拥有更多的可能，历史对比，演化推演，还有很多我们不敢想的事情，海卓同创青岛分公司专门致力于软件开发和数据分析等解决方案方向，为我们的未来提供了一切可能。

总结起来就一句话：# 未来可期！我们需要做的就是比别人走的快一点。#

y' J6 X0 H* R1 H+ [0 S9 ?

★

7 z, R; S" l) |# K+ h' G ^" Q& e

推荐阅读

! o |. l7 U% s9 M; ]0 |* p

【关注】鼓励实行注册测绘师签字盖章和终身追责制度！该省首发“多测合一”征求意见！

【技术】GCS_WGS_1984转CGCS2000坐标系

【招聘】北京大学遥感与地理信息系统研究所2022年人才招聘公告

3 R* _" g+ o7 t7 T( W# v

【公告】吉林省建设工程项目“多测合一”技术规程（征求意见稿）公开征求意见

; E6 F- H, c. |/ l. T) M

【行业】实景三维青岛赋能数字城市建设，计划2022年10月底前完成！

4 l! f2 _& ~ S/ U; F) W 0 x" S) B% V3 }5 t: a/ Z