经验交流▏多波束测深技术优势与海洋测绘新思路 -多波束测深系统工作原理

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相对于单波束，多波束测深技术实现了高精度、高效率、全覆盖测深。经过近20 年的发展，其波束数也由初期的101个增加到目前最多512 个，所测地形的精细度也达到了惊人的效果。多波束硬件的小型化、便携化，及测量船只的小型化，降低了其外业成本，使得这一技术迅速普及应用。由此带来了海洋测绘技术的革新，让人不得不思考海洋测绘新的体系建设，以适应于这种海洋测绘技术的进步。

一、多波束测深技术优势

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与单波束相比，多波束具有测点密度大、精度高、可视化等特点，能完成常规方法难以胜任的测深任务，优势明显；此外，其波束开角（0.5º ～ 1º）远远小于单波束开角（8 º），在微地形探测方面开启了新的应用领域。

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⒈单波束姿态改正的缺陷

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单波束测量时，涌浪补偿器只能修正对涌浪造成的升沉进行改正，对于测船的摇晃无法修正。由此带来的测深误差在低等级的水深测量时在可接受范，但在复杂地形或具有大坡度的工程体上测深时，其影响不可忽略。船体的摇摆造成测点位置的偏移，平面为ds，高程为dh，如下图所示，ds=h×sinα（α为测船瞬间倾角），dh=ds×k(k为坡比)，水深h取20m、测船倾角α取3º 时，坡比k取1:1.5 时，计算得ds=1.04m，dh=0.7m。这一偏差已超出《水运工程测量规范》（JTS131-2012）的精度要求（水深小于20m 时，单波测深重合点互差限差为0.2m）。

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图1 测船姿态对坡面测深数据的影响

外业作业时，测船倾角超过3º 的情况是很常见的，故复杂地形情况下单波束精度是很不理想的，因此国际海道测量组织（IHO）制定的新海道测量标准（IHOS -44）规定高级别的水深测量必须采用多波束（如图1）。

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不同于单波束，多波束的姿态系统可实时观测船体的三维瞬姿态角，通过软件修正波束发射角度，有效地解决测量载体姿态对测量结果的影响。

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⒉多波束的测深精度

多波束测深的精度是比较高的。经过近20年的发展，目前国内已形成了一套数据处理技术及误差控制理论，在成果质量评定和控制方面也比较成熟。根据相关文献研究结果， RESON公司较早型号的Seabat8101多波束的中央波束在30m水深时，中间波束的平面及高程综合误差为0.034m和0.068m，这一数量级的误差是单波束无法比拟的。目前最新型号的Seabat T50在各项技术指标上远优于高于Seabat8101，故其达到的精度还要更高。

⒊多波束的微地形探测能力

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波束的开角越小，其“脚印”越小，代表其声学探测能力越强。单波束的波束开角度为8°，多波束开角仅仅为0.5°～ 1°度。开角越小，在多波束的一个发射扇面上的波束也就越多，所测地形越精细。单波束只能通过加大测深比例，增加测点密度，但受限于其波束性能，其微地形的探测能力也是无法与多波束相比的。

二、基于多波束测深技术的海洋测绘新思路

⒈海图测绘工序改进的探索

海洋测绘的一个重要任务是海图的测绘。海图测绘的工序是在模拟测图阶段建立起来的，在今天数字测图时代也没有大的改变，其工序为：控制、水深、地形等的测深到海图的编辑、加工和出版。这一工序已跟不上时代的步伐：一是更新周期较长（繁忙港口4 年，一般海区为8年），滞后于港口航道的建设速度，数据发布更新不及时，给通航保障带来不利影响；二是目前的海图测绘主要为单波束，测深为中小比例：港内1:5000，近海1:15000，外海1:40000，难以满足工程需要。多波束测深的条带覆盖宽度可达4倍以上水深，其作业效率很高，且实现全覆盖测量，数据的价值是单波束无法比拟的。因此，采用多波束进行海图测绘是可行的。

结合多波束的技术特点，给出海图测绘的新思路：①多波束全覆盖测深，获取海底精细地形，在此基础上制作测区的DTM，以此建立海图数据库；②用图层管理碍航障碍物和浅区；③与海事及各当地港口管理部门信息共享，及时获取重要地形变化点，建立修测机制，及时更新障碍物及浅区图层；④建立基于海图数据库的内业出版体系，提高内业效率，丰富海图产品的种类，更好地服务社会。

⒉对水运工程测量的影响

⑴疏浚工程建设方面

多波束测深的普及应用在水运工程测量产生了重大影响。例如，在航道疏浚工程项目中，经典的建设方案为：初设阶段采用1:5000比例单波束测图，施工图阶段采用1:1000或1:2000单波束测图。这是基于多波束测深技术普及之前的思路。由于单波束测深是点和线的概念，会漏测小型障碍物，根据建设经验，常在工程的施工或验收阶段才发现，进行补充设计。这样造成工期滞后或投资误差过大，不利于工程管理，影响工程建设进度。故考虑到多波束的全覆盖特性，完全可以在初设阶段或施工图阶段就采用多波束测深，实现精准设计，将大大提高工程建设的管理水平。

⑵水下隐蔽工程检测方面

多波束测深获得高分辨率的数据，实现了水下三维可视化，开辟了水下隐蔽工程的检测的新天地。水下隐蔽工程的测量监督是一个难点，传统的手段为单波束测深、水砣测深、潜水员探摸，测量结果不理想。利用多波束测深高精度、高密度、三维可视化的特点，福建省港航管理局勘测中心已经开展这方面的工作：从码头到防波堤，在施工阶段及运营阶段都取得了很好的效果，具体的案例有：厦门欧厝对台码头三维可视化检测以及浙江苍南电厂防波堤运营期检测。

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水下隐蔽工程可视化检测的应用思路为：①基槽开挖时利用泥浆密度计配合多波束测深实现基槽的细部测量；②基床回填整平后利用多波束测深进行三维可视测图，测出基床的肩部细节，直观地评估基床整平效果；③承箱安装后多波束测深结合三维扫描仪（一种测站式微型高精度多波束）对码头前趾及承箱接缝进行测量，评估承箱安装质量；④运营期定期用多波束扫测承箱的箱体及码头前趾的水流冲刷情况。

⑶疏浚工程量计算方面

港口与航道的疏浚工程中工程量的计算涉及巨大的经济利益（水深测量误差1 厘米对应的工程量为每平方公里1万立方），因此水深测量精度的微量提高对于大面积水域的疏浚工程量具有重大意义。根据《水运工程测量规范》（JTS131-2012），单波束测深数据用于计算工程量时，采用随机等间距的方式取点，该思想是利用随机等效影响的概念保障计算精度。而多波束测深可测得地表细节，利用高密度的多波束数据可精确计算工程量。然而原始的多波束测点间距为分米级，造成海量数据，不利于计算机运算，因此需要建立新的数据选取机制。主流的方格网法或等间距法选点均导致地形不同程度的失真，容易忽略地形特征点。笔者根据应用经验，提出新的数据压缩方法：地形特征值法。该方法以最原始的高密度多波束数据为基础，相邻的4个测深点构成一个四棱锥，视为一个微地形单元。设置该棱椎的几何参数作为选点门限，区分出平坦地形和复杂地形，实现选取的水深点既不冗繁，又能准确体现地形特征。这样既实现了数据大幅压缩，又保障了地形细节的真实表达，既解决数据冗繁的问题，又保障计算精度。

三、结束语

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多波束测深技术的不断进步，引发了海洋测绘理论与方法的革新，表现在目前在海图测绘工序、水运工程测量的许多领域已经引起了变革。因此迫切需要建立新的海洋测绘体系，来适应这一先进技术的应用，以便更好地发挥其价值。

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【作者简介】文/管孝汉，来自福建省港航管理局勘测中心；文章来自《中国水运》（2019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，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。

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