多波束测深数据采集质量监控方法探讨

王 启，刘胜旋

（1.中国地质调查局广州海洋地质调查局,广东 广州 510760；2.自然资源部海底矿产资源重点实验室,广东 广州 510760）

多波束测深是海洋地质调查前期的一种重要的方法手段[1]。多波束测线条带覆盖宽度与水深成正比,作业效率高,可对海底进行全覆盖测量,在海洋地质调查中具有不可替代的作用。高质量的多波束测深资料可提供可靠的海底地形地貌特征,为其他海洋调查方法手段（海底摄像、ROV、站位取样等）的开展以及后续海洋矿产资源勘探开发、研究利用和环境评价提供一定的基础支撑。多波束资料成果质量不仅与多波束测深系统自身测量精度有关,还与其他相关辅助调查设备的测量精度、水域环境、工作参数以及数据采集现场质量监控等因素密切相关[2]。多波束原始数据质量将直接影响资料处理成果的质量,因此提高现场质量监控方法是获得高质量原始数据的一项重要措施[3]。为了获得高精度、高质量的多波束原始资料,本文主要针对多波束数据采集过程中的关键问题,探讨了多波束数据采集现场的质量监控方法。

1 准备阶段

1.1 资料收集

海洋是一个极其复杂多变的环境,为了保障野外数据采集工作的顺利完成和减少突发事件的发生,海上作业前应多收集目标工区已有的水文、气象资料,在浅水域作业时还需掌握工区渔网、暗礁以及浅滩分布等信息,并根据已知资料制定合适的野外资料采集实施方案。整个数据采集过程应严格遵循水深测量相关规范,按照实施方案要求做好质量控制,保证数据采集质量[4]。

1.2 系统测试

航行前应全面检查调查船是否满足海上作业要求,检查导航定位系统是否正常工作,检查和校准声速剖面测量仪、运动传感器等设备,以确保各系统正常工作[4],这是开展数据采集的前提条件。海上多波束测深数据采集时间一般较长,需要长时间、连续不间断的工作,因此作业期间需对相关调查设备进行定期检查,将设备运转情况记录在案,确保设备一直处于安全、正常工作状态,保证野外数据采集工作顺利运行。

2 现场质量监控

2.1 参数校正

正式开展多波束测量前,需要选择合适的区域进行参数校正。参数校正区域应包含平坦地形和一定起伏的特征地形,参数测试过程中船速不易过大,最高船速一般不要超过8节。参数校正主要包括定位时间延迟校正、横摇偏差校正、纵倾偏差校正和艏向偏差校正[5-6],其中定位时间延迟是由于多波束测深系统采用的时间与定位时间不同步或多波束测深系统与定位系统在相同时刻的定位信息不相同而产生的[7],定位时间延迟校正一般选择在具有一定坡度变化的特征地形上进行,调查船沿同一测线相同方向、以不同的船速分别采集数据；横摇偏差校正一般选择在平坦地形区域进行,纵倾偏差校正一般选择在具有一定坡度变化的特征地形上进行,调查船以相同船速沿同一测线、相反的方向分别采集数据；艏向偏差校正一般选择在特征地形上进行,设计两条穿过特征地形的测线,调查船沿同一方向以相同的船速分别采集数据。将参数测试数据导入Caris软件中进行处理,通过现场参数校准后,所有相邻测线测深条带一致性良好,如图1所示。

图1 海底地形剖面图

为了保证数据采集质量,参数测试时需要布设检查线,采用相对误差进行测量水深精确度评估。相对误差愈小测量精度愈高,且以相对误差来评估水深测量精度也与测深仪的精度指标相符[8]。假设重复测量点处主测线的水深值为D1,检查线的水深值为D2,该重复测量点的不符值为D1-D2,二者的平均值D视作测量真值,则重复测量点不符值的相对误差公式为:

参数测试数据质量应满足不低于90%置信度的要求。数据质量精度达到规范要求后,将校正后的定位时间延迟、横摇偏差、纵倾偏差和艏向偏差参数输入多波束测深系统中,用于工区资料采集和监控。在野外资料采集过程中,当相关仪器设备安装位置因故障发生变化时,应把重新测量后的相关安装参数准确无误地记录到野外资料采集报告中,使室内资料处理人员准确了解野外数据采集情况,避免设备安装参数变化产生的数据误差。

2.2 海况影响

海况是影响多波束测深数据质量的重要因素之一,恶劣的海况是噪音数据产生的主要原因。在多波束野外作业过程中,受风、浪、涌和流的影响,船和换能器的姿态不断发生变化,当海况较差时,发射和接收波束的覆盖区发生偏离,多波束原始数据中将含有较多的噪音信号,且边缘波束往往较差[9],严重影响数据质量。在海况特别恶劣的情况下,波束丢失极为严重,数据无法满足相关规范要求,应立即停止作业。另外,在海岸带等浅水域进行多波束资料采集时,由于工区浮标、渔网众多,夜间作业将对船舶航行和调查设备带来巨大的安全隐患,为保证设备和人员安全,应尽可能避免夜间作业。

2.3 条带重叠率

多波束主测线布设在原则上应平行于等深线方向,检查线与主测线的夹角应大于70°,且至少应与工区内80% 的主测线相交。海洋多波束调查一般为全覆盖测量,为防止出现漏测现象,相邻测线条带重叠率需达到10%以上[10]。

为了对数据采集质量进行有效监控,需要每天把采集的原始数据加载到Caris处理软件中进行初步处理,检查数据质量。现场处理具有室内后处理无法比拟的优势,现场更清楚野外数据采集的情况,可针对实际情况对数据进行分析处理。我国南海东沙海域多波束局部海底地形剖面图如图2所示,调查初期发现相邻条带刚刚相接,条带重叠率极低,远没有达到规范要求的10%,甚至在地形曲面上出现少量空洞。为了保证数据采集质量,需及时将原始数据情况告知数据采集相关技术人员,在后续作业过程中适当减小测线间距,加大相邻测线条带的重叠率。

图2 我国南海东沙海域局部海底地形剖面图

测线间距调整后,后续数据采集中相邻测线条带的重叠宽度明显加大,除在海底地形起伏变化较大的区域条带覆盖宽度突然变窄外,大部分区域相邻测线条带重叠率达到10%以上,满足相关规范要求。另外,中央波束发散度与边缘波束发散度相差不大,数据质量较好,如图3所示。

图3 调整后我国南海东沙海域局部海底地形剖面图

2.4 滤波设置

采集系统中通过设置滤波参数可过滤掉质量较差的边缘波束和部分噪音数据,提高数据采集质量。滤波设置主要包括波束角和水深滤波。水深一定时,波束角越大条带覆盖宽度就越大,因此通过设置波束角大小可限制条带覆盖宽度。当海况较好时,可适当增大波束角,加大条带覆盖宽度,提高作业效率；当海况较差时,边缘波束质量往往较差,应适当减小波束角,提高数据采集质量。水深滤波是指根据水域情况设置水深测量范围,滤除浅层噪音干扰和海底多次波。在多波束资料采集过程中,应根据当前水深对未来一段时间将要测量的水深进行提前预判,设置相应的滤波参数。合适的滤波参数可有效滤除较多的噪音信号,较准确地跟踪海底。水深测量范围与实际水深值越接近滤波效果越好,采集的原始数据质量就越高[9]。

多波束资料采集时,由于海底地形突变的影响,条带覆盖宽度急剧变化,导致相邻条带间产生空白区域,因此野外应时刻关注监控窗口,根据当前测量水深对地形和条带覆盖宽度进行提前预测,及时提醒驾驶台适当修正航线。在一些地形复杂的区域,由于水深变化大,海底跟踪易出现异常,导致采集到假数据。我国南海东沙海域调查区局部海底地形如图4所示,红色区域地形原本是一个平顶海山,海山周围水深变化大,山顶至山脚水深为380～1 800 m,由深水向浅水进行资料采集时海底跟踪出现异常,换能器接收到来自海底的虚假信号,水深曲面上形成虚假地形。对于出现异常波束的区块应进行重新测量,补测后的调查区局部真实海底地形如图4c所示,海山顶部平台地势较平坦,水深为380～420 m。

另外,在海山、海沟和丘陵等地形复杂区域,应重点对数据采集质量进行实时监控,合理控制船速,及时调整滤波参数,避免滤除有效数据。对于由于水深突然变浅、条带突然变窄而产生的较大空白区域,需加布测线对其进行补测。

2.5 吃水测量

多波束测深作业前后应测量换能器的吃水深度。在实际作业过程中,船载生活用水和燃料的不断减少导致船体和换能器的吃水深度减小,调查后期为了保持船舶稳定,一般会往水仓加注海水,换能器吃水深度又会增加,因此在加注压仓水前后应测量换能器的吃水深度。测量吃水深度应选择在海况良好、船体处于平稳状态时进行,多次测量互差应小于10 cm,取其平均值作为当前吃水深度。后期数据处理时将作业期间换能器吃水变化输入到船配文件中,以消除换能器吃水变化对数据精度的影响。

2.6 潮汐测量

在深海海域,资料处理时可利用预报潮汐或不加载潮汐数据；但在海岸带等浅水海域,水深浅、潮汐将对成果资料产生重要影响。另外,近岸浅水海域潮汐性质较复杂,加载预报潮汐后相邻测线条带拼接仍会出现异常,不能完全消除潮汐产生的数据误差。如果工区附近有可用的潮汐观测站,则利用潮汐观测站数据进行潮汐改正；但在实际海上作业时,潮汐观测站距离目标工区往往较远,潮汐观测站数据与工区实际潮汐存在明显差异,因此需合理布设临时验潮站,记录资料采集期间的实时潮汐数据,用于室内资料处理潮汐改正。

2.7 声速测量

声速剖面是影响多波束测深数据质量的重要因素之一。多波束资料采集时,海水声速结构的不均匀性导致声波传播方向发生改变,产生声线弯曲[11],从而使海底地形发生畸变,直接影响多波束测深数据的精度[9]。影响声速的因素主要包括温度、盐度和压力,其中温度对海水声速影响最大,且声速随海水温度、盐度和深度的增大而增大[12]。表层声速对测深精度的影响最显著[13],当表层声速偏小时,边缘波束对称上翘,条带呈“笑脸”状；当表层声速偏大时,边缘波束下凹,条带呈“哭脸”状；表层声速过大或过小均会使相邻条带拼接产生异常,异常区域地形曲面上呈“隆起”或“沟壑”状。

在海岸带等浅水海域,水质情况比较复杂,水温随时间变化的特征显著；而海水温度对声速影响最大,同一位置在不同时间测量的声速剖面存在明显差异[14],这种因声速剖面变化产生的海底地形畸变现象在浅水域十分明显。因此,多波束资料采集时应合理布设声速剖面测量站位,根据工区实际情况适当加大声速剖面在空间和时间上的分布密度[15-16]；在后续处理中利用实测声速剖面进行声速改正,可减小声速剖面变化产生的水深误差,以提高资料处理成果质量。另外,数据采集时应注意观察实时监控窗口,当实时表层声速发生较大变化或边缘波束出现对称弯曲现象时,应及时更换或重新测量声速剖面。

3 结 语

根据参数校正、海况、条带覆盖宽度、滤波设置、换能器吃水、潮汐和声速等影响多波束测深资料采集质量的因素,本文针对资料采集各环节中的问题,详细阐述了要点以及相应的处理方法,提高了多波束测深资料采集现场质量监控的水平。该方法可为多波束测深资料采集提供一定的技术指导,为室内资料处理提供高质量的原始资料,以提高资料处理成果的精度和质量。