侧扫声纳技术在水下界址线测量中的应用

徐国强，杜 军，王勇智，李 平，于晓晓

（国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

侧扫声纳技术在水下界址线测量中的应用

徐国强，杜 军，王勇智，李 平，于晓晓

（国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

目前，沿海经济的强势发展导致用地矛盾不断凸显，各地不断提出向海要地的要求。为防止擅自扩大围填海范围的现象，水下界址线的精确测量成为其基础工作。侧扫声纳技术作为海底地形地貌的重要探测手段，本身精度满足水下界址线测量要求，同时可以提高探测效率。以广西防城港核电建设中填海界址和面积动态监测项目为例，论证了侧扫声纳系统在水下界址线测量中的可行性。同时指出，精确定位是进行围填海界址调查的关键技术。

侧扫声纳；水下界址；测绘

21世纪以来，我国各沿海地区经济社会发展迅猛，工业化、城市化和人口聚集的趋势进一步加快。随之而来的是土地资源性短缺和土地结构性短缺的进一步加剧，沿海经济的强势发展导致用地矛盾不断突显，各地不断提出向海要地的要求[1-3]。

填海造地是指筑堤围割海域填成土地，并形成有效岸线的用海方式。围海指通过筑堤或其他手段，以全部或部分闭合形式围割海域进行海洋开发活动的用海方式。依据《海籍调查规范》（HY/T124-2009）中的用海范围界定方法，填海造地用海“岸边以填海造地前的海岸线为界，水中以围堰、堤坝基床或回填物倾埋水下的外缘线为界”；围海用海“岸边以围海前的海岸线为界，水中以围堰、堤坝基床外侧的水下边缘线及口门连线为界”。

目前，擅自扩大围填海范围的现象屡屡出现，堤坝基床外缘线的精确测量是海洋执法部门面临的主要难题之一。国家海洋局也不断加大监管力度，严格控制填海、围海和可能对海洋环境造成严重损害的开发利用活动。基于此，本文提出采用侧扫声纳扫海技术来界定用海边界，为执法部门用海管理提供技术支撑。

1 侧扫声纳确定堤坝基床外缘线的原理

侧扫声纳是主动声纳的一种，以二维平面图像形态测绘水下微地貌特征的仪器[4]，主要由拖鱼（换能器）、电缆和数据采集计算机组成[5]。换能器向海底方向发射高频狭窄波束，声波碰到水中或海底不同的物体反射回来，根据回波信号强弱的不同，就能够得到灰度不同的海底地貌图谱。

围填的堤坝由于底质（主要为抛石）与正常海底底质不同，而且存在一定坡度，在侧扫声纳图谱上会呈现出强反射的特征，通过后处理及解译可以得到坡脚的位置，从而满足《海籍调查规范》中填海水下界址线为堤坝基床外缘线的要求。图1描述了一个侧扫声纳在未做校准模式时的结构示意图，其中A线是触发脉冲；B线是第一海面回波，代表声纳至海面的距离；C线是第一海底返回波，代表声纳至海底的距离；D是水柱，代表声纳至海底的水体部分；E是堤坝外缘反射线；F是阴影区，没有回波信号；G是25 m的距离标注；H是信号振幅的显示。图2代表了工作环境的垂直交叉部分，真实的记录就像一架从上面飞过的水平飞机上看到的海底，各字母代表的含义对应图1的示意图。（注：本文中资料取自EdgeTech侧扫声纳）

图1 侧扫声纳在堤坝基床测量中工作原理示意图

图2 侧扫声纳工作原理垂向示意图

2 侧扫声纳在水下界址线测量中的影响因素及解决方法

本文所涉及的水下地貌测量采用美国EdgeTech公司生产的4200-FS型侧扫声纳，可100/400 kHz双频同时工作。当采用400 kHz高频、100 m量程工作时，其垂向分辨率可达2 cm，纵向分辨率达0.6 m，量程为50 m或25 m时其精度更高。《海域使用面积测量规范》（HY 070-2003）中4.4节测量误差规定“所测海域离岸20 km以内，测量误差优于±1 m”，设备性能本身满足测量要求。

实际测量中影响侧扫声纳精度的因素有很多：风、海流对拖体姿态的影响[6]、水体声速造成的误差、拖绳的弹性误差等[7]都会造成目标物位置精度的影响。针对以上影响因素，为控制界址测量精度，实际测量中作出如下修正：

（1）测线设计与测量方式。测线布设平行海流方向；选择三级海况以下、平潮期作业；测量方式上采用同一测线往复式测量。

（2）声速误差修正。作业期间，测量前、测量中和测量结束后进行三次现场声速剖面测量，通过声速校正减小该项系统误差。

（3）拖鱼位置修正。拖曳式作业中，实时记录拖缆长度与角度，采用系统LAYBACK进行修正；亦可采用超短基线定位，实时计算拖体的大地坐标[8]。

（4）影像变形修正。后处理过程中，采用系统自带的速度校正、斜距校正等功能来进行影像变形方面的修正。

（5）RTK比对测量。低潮时，采用RTK沿重叠区进行重复测量，并依此为基准改正声纳测量参数设置。

3 声纳在水下界址线测量中的实际应用

海洋水工构筑物的水面以下部分用海面积较多且难以界定。为检验实际用海面积与申请用海面积之间的差异，防止填海项目的超限或违规使用，本文借助侧扫声纳扫海获得高精度海底声学图像，来识别与界定人工堤坝基床外缘线，精确界定水下界址。以广西防城港核电建设中填海界址和面积动态监测项目为例（堤坝测量示意图见图3），该项目主要是随着核电站取排水工程建设的进度，跟踪监测工程水下界址外边界，为海域管理提供基础数据。

图3 堤坝测量示意图

截至2015年1月，广西防城港核电项目排水口东、西导流堤施工建设长度为5 km（NW-SE向），南、北防波堤施工建设长度为1.8 km（NE-SW向），堤坝两侧进行堤坝护坡施工，护坡材料以抛石为主。本文所探讨的海域界址即为抛石区与海底面交界线。水下需测量界址线长度约为27.2 km。

测线布设上，采用平行堤坝走向方向往复布设，低潮时界址出露区域布设RTK实地探测点，并作为后期侧扫声纳探测参数改正的基准。

导航定位采用RTK定位系统，根据现场所获侧扫声纳调查资料，分析解译海底存在的障碍物位置范围，以及坡折线的位置走向，结合水深测量的成果，来识别人工堤坝基床外缘线。

由于拖鱼水下姿态的不确定（ROLL，PITCH，HEADING）、测量船的速度偏差、拖鱼高度导致的量程数据压缩等因素侧扫声纳影像会产生一定的变形。现场测量时根据文中第2节相关方法进行修正。后期解译中亦可应用解译软件自带的辅助工具进行变形校正。

本项目采用Triton后处理系统软件，采用人机交互的方式进行屏幕数字化，并结合水深地形测量结果分析，圈定堤坝与海底之间转折线位置。Triton Isis数据解译中参数订正以及相关处理流程详述如下。

3.1 斜距校正

侧扫声纳图像上最早返回换能器的信号是近似垂直的，而来自远距离的信号则接近水平，两者之间的每一个数据点是横向的，存在距离和畸变，因此需要进行斜距校正。首先对侧扫声纳资料进行自动海底追踪，采用Amplitude模式，调节Level和Holdoff参数，使海底追踪线与实际海底吻合；部分海底起伏较大，自动追踪效果不好，需要人工干预（P＆C模式）调节至合理海底。利用Triton Isis自带的斜距校正功能进行修正，图4为斜距校正前声纳图像，图5为斜距校正后声纳图像。

图4 Triton Isis解译软件斜距校正前声纳图像

图5 斜距校正后声纳图像

3.2 导航平滑

一般而言，对于通过拖曳式得到的声纳数据，为了得到连贯一致的图像需要进行导航数据的平滑。解译中将航速低于1 kn及航速高于10 kn的明显跳点处理掉，平滑处理算法可以诱导错误，因此为避免图像失真,最好的选择是设置平滑的点数量为1，平滑对比见图6。

图6 导航平滑前后对比图

3.3 图像镶嵌

侧扫声纳本身在精度与覆盖范围间存在着矛盾，为解决上述矛盾并同时提供大范围的高精度图像，电子镶嵌（mosaic）应运而生，这需要使用一系列的相邻测线，并将每个记录与下一个相匹配以产生测量区域的高分辨率大尺寸图像。本次探测识别目标物较为单一（水下堤坝外缘线），解译时将堤坝同侧往复两个方向的数据进行镶嵌对比。图7为南西航向侧扫声纳图谱。

图7 堤坝基床外缘线声纳图

3.4 界址绘制

本次根据侧扫声纳图像确定堤坝基床外缘线的过程中，主要干扰项为堤坝护坡（图8）。护坡在声纳图像上与基床外缘一样表现为强反射特征，但两者存在差异。

图8 低潮时可出露堤坝基床现场拍摄图

堤坝基床外缘线是有大量单个抛石构成，在图像上会呈现一定的零散性。堤坝护坡则具有一定的连续性，见图9。

图9 堤坝基床外缘识别示意图

3.5 界址比对

本文作业采用RTK配合超短基线定位，定位精度达厘米级。水体声速误差，每次测量前、测量中和测量结束后进行三次现场声速剖面测量，通过声速校正较小该项系统误差。堤坝周边水深在5 m以浅，声速误差在±1 cm。速度校正、斜距校正采用Triton后处理系统软件进行。通过以上方法减少测量误差，最后根据侧扫声纳图像解译结果，同时参考水深地形，对比人工RTK测量数据，绘制堤坝界址线，进而确定填海和构筑物的海域边界和面积。

图10为测区内部分低潮时可露出水面的部分测量结果对比图，其中低潮时采用人工RTK测量堤坝基床外缘线（测点间距15 m），高潮时采用侧扫声纳测量。

各个测点之间的位置误差见表1。

图10 低潮出露部分RTK测量与侧扫声纳测量对比图

表1 RTK测量与侧扫声纳测量位置误差对比

由表1对比可知，RTK测量与侧扫声纳测量的位置误差在±0.5 m以内。本文共进行RTK对比测量3.08 km，占界址线长度11.3%，比对点共计206个，位置误差在±0.5 m以内的有183个，误差在±0.5 m至±0.8 m之间的有23个，测量误差均满足《海域使用面积测量规范》（HY 070-2003）要求。

利用这种方法，可以在某些由于环境恶劣或限制导致人员无法到达的地方进行水下界址线的测量，同时可以连续测量，提高了工作效率。

4 结论

本文以广西防城港核电建设中填海界址和面积动态监测项目为例，论证了侧扫声纳系统在水下界址线测量中的可行性，并得出如下结论。

（1）通过科学合理的测线设计、定位校正和后处理校正以及实地验证等手段，表明侧扫声纳技术可以应用于海工构筑物水下界址测量并提供符合精度需求的界址测量数据。经与RTK实地测量比对，误差在±0.8 m以内，满足《海域使用面积测量规范》（HY 070-2003）要求。

（2）应用侧扫声纳探测技术进行水下界址测量工作中，声纳传感器（拖鱼）的精确定位是关键。本次调查主要采用了RTK实地验证，后续工作中亦可采用超短基线水下定位方式以提高定位精度和作业效率。

[1]刘文勇,钱立兵,江林.填海项目竣工海域使用验收现状及管理对策研究[J].海洋开发与管理,2015,32(4):39-41.

[2]刘伟,刘百桥.我国围填海现状、问题及调控对策[J].广州环境科学,2008(02):26-30.

[3]汤民强,刘文勇,魏巍.填海项目竣工海域使用验收测量的技术方法[J].海洋技术,2009,28(2):80-83.

[4]胡毅,陈坚,蔡锋,等.Klein3000型侧扫声纳在海洋工程调查中的应用[J].海岸工程,2006(01):84-92.

[5]王志光,孙新轩,刘强,等.侧扫声纳系统在海底障碍物扫测中的应用[J].海洋测绘,2012(06):48-50.

[6]王化仁,李春风,林康力.海流对声纳目标定位精度影响分析[J].水道港口,2007(04):297-299.

[7]王久,周健.侧扫声纳和多波束系统在失事沉船扫测中的综合应用[J].中国水运(下半月刊),2010(08):35-37.

[8]高俊国,李增林,杜军.侧扫声纳系统成图中的位移、变形和噪声问题[J].海岸工程,2003(02):44-50.

The Application of Side-Scan Sonar for Detecting Submarine Parcel Boundaries

XU Guo-qiang,DU Jun,WANG Yong-zhi,LI Ping,YU Xiao-xiao
First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,Shandong Province,China

As the economy grows rapidly along the coast,increasing areas of seabed are demanded,and thus there is bound to give rise to conflict related to land requirement.In order to restrict the range of reclamation from being expanded without any authorities,detecting underwater parcel boundaries is needed to be conducted precisely and will serve as a foundation.As an important means for submarine topography measurement,the side-scan sonar not only meets the accuracy requirements,but also can enhance the efficiency of detection. Taking the Fangcheng Harbor of Guangxi Autonomous Region as example,the seafloor is mapped and the reclamation area is monitored in a dynamic way,while infrastructure is constructed for nuclear power generation. In this project,the side-scan system is proved to be practicable to detect the submarine parcel boundaries.In addition,it is pointed out that accurate location is a key technology for surveying the parcel boundaries of sea reclamation.

side-scan sonar;submarine parcel boundaries;surveying and mapping

P753;TB56

A

1003-2029（2017）03-0018-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.004

2016-09-22

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（2015G14）

徐国强（1987-），男，助理工程师，主要从事海洋工程地质与声学探测应用方面研究。E-mail：xuguo@fio.org.cn