多波束测深技术优势与海洋测绘新思路

崔鑫 郝纪

摘 要：随着科技的进步与发展，测量技术也在不断提升进步，日益现代化。多波束具有较高的分辨率和全覆盖、高效率等优势，使其在航道维护、工程施工、水下目标探测等方面中得以广泛应用。本文论述了多波束测深技术的优势特点，分析其在海图测绘工序及水运工程测量方面所产生的影响，探析了海洋测绘新思路。

关键词：海洋测绘;多波束测深;测绘技术

0 引言

由于海洋有其流速多變、水位影响因素较多、海底地形复杂、各种情况相互交叉影响等特点，使得海洋测绘面临较为复杂的情况。现今，多波束系统在海洋测绘中得以廣泛应用，并在海洋紧急情况应急措施实施中发挥重要作用。

1 多波束测深系统技术原理

多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出海底地形的三维特征。

2 基于多波束测深技术的海洋测绘新思路

2.1 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。

2.2 对水运工程测量的影响

2.2.1 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。

2.2.2 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。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。

2.2.3 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。

3 结语

综上所述，在未来的研究中应进一步对多波束系统在海洋测量中的应用进行详细的研究与分析，希望本文能够为多波束系统在海洋测量中的应用研究提供几点借鉴，并为我国海洋航道的发展提供积极的推动作用。

参考文献

[1]张同伟，秦升杰，唐嘉陵，王向鑫.深水多波束测深系统现状及展望[J].测绘通报，2018，（05）：82-85.

[2]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.