崔鑫 郝紀(jì)

摘 要：隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，測量技術(shù)也在不斷提升進(jìn)步，日益現(xiàn)代化。多波束具有較高的分辨率和全覆蓋、高效率等優(yōu)勢，使其在航道維護(hù)、工程施工、水下目標(biāo)探測等方面中得以廣泛應(yīng)用。本文論述了多波束測深技術(shù)的優(yōu)勢特點，分析其在海圖測繪工序及水運工程測量方面所產(chǎn)生的影響，探析了海洋測繪新思路。

關(guān)鍵詞：海洋測繪;多波束測深;測繪技術(shù)

0 引言

由于海洋有其流速多變、水位影響因素較多、海底地形復(fù)雜、各種情況相互交叉影響等特點，使得海洋測繪面臨較為復(fù)雜的情況?，F(xiàn)今，多波束系統(tǒng)在海洋測繪中得以廣泛應(yīng)用，并在海洋緊急情況應(yīng)急措施實施中發(fā)揮重要作用。

1 多波束測深系統(tǒng)技術(shù)原理

多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進(jìn)行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。

2 基于多波束測深技術(shù)的海洋測繪新思路

2.1 海圖測繪工序改進(jìn)的探索

海洋測繪的一個重要任務(wù)是海圖的測繪。海圖測繪的工序是在模擬測圖階段建立起來的，在今天數(shù)字測圖時代也沒有大的改變，其工序為：控制、水深、地形等的測深到海圖的編輯、加工和出版。這一工序已跟不上時代的步伐：一是更新周期較長（繁忙港口4年，一般海區(qū)為8年），滯后于港口航道的建設(shè)速度，數(shù)據(jù)發(fā)布更新不及時，給通航保障帶來不利影響;二是目前的海圖測繪主要為單波束，測深為中小比例：港內(nèi)1：5000，近海1：15000，外海1：40000，難以滿足工程需要。多波束測深的條帶覆蓋寬度可達(dá)4倍以上水深，其作業(yè)效率很高，且實現(xiàn)全覆蓋測量，數(shù)據(jù)的價值是單波束無法比擬的。因此，采用多波束進(jìn)行海圖測繪是可行的。結(jié)合多波束的技術(shù)特點，給出海圖測繪的新思路：（1）多波束全覆蓋測深，獲取海底精細(xì)地形，在此基礎(chǔ)上制作測區(qū)的DTM，以此建立海圖數(shù)據(jù)庫;（2）用圖層管理礙航障礙物和淺區(qū);（3）與海事及各當(dāng)?shù)馗劭诠芾聿块T信息共享，及時獲取重要地形變化點，建立修測機(jī)制，及時更新障礙物及淺區(qū)圖層;（4）建立基于海圖數(shù)據(jù)庫的內(nèi)業(yè)出版體系，提高內(nèi)業(yè)效率，豐富海圖產(chǎn)品的種類，更好地服務(wù)社會。

2.2 對水運工程測量的影響

2.2.1 疏浚工程建設(shè)方面

多波束測深的普及應(yīng)用在水運工程測量產(chǎn)生了重大影響。例如，在航道疏浚工程項目中，經(jīng)典的建設(shè)方案為：初設(shè)階段采用1：5000比例單波束測圖，施工圖階段采用1：1000或1：2000單波束測圖。這是基于多波束測深技術(shù)普及之前的思路。由于單波束測深是點和線的概念，會漏測小型障礙物，根據(jù)建設(shè)經(jīng)驗，常在工程的施工或驗收階段才發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計。這樣造成工期滯后或投資誤差過大，不利于工程管理，影響工程建設(shè)進(jìn)度。故考慮到多波束的全覆蓋特性，完全可以在初設(shè)階段或施工圖階段就采用多波束測深，實現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計，將大大提高工程建設(shè)的管理水平。

2.2.2 水下隱蔽工程檢測方面

多波束測深獲得高分辨率的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了水下三維可視化，開辟了水下隱蔽工程的檢測的新天地。水下隱蔽工程的測量監(jiān)督是一個難點，傳統(tǒng)的手段為單波束測深、水砣測深、潛水員探摸，測量結(jié)果不理想。利用多波束測深高精度、高密度、三維可視化的特點，福建省港航管理局勘測中心已經(jīng)開展這方面的工作：從碼頭到防波堤，在施工階段及運營階段都取得了很好的效果，具體的案例有：廈門歐厝對臺碼頭三維可視化檢測以及浙江蒼南電廠防波堤運營期檢測。水下隱蔽工程可視化檢測的應(yīng)用思路為：（1）基槽開挖時利用泥漿密度計配合多波束測深實現(xiàn)基槽的細(xì)部測量;（2）基床回填整平后利用多波束測深進(jìn)行三維可視測圖，測出基床的肩部細(xì)節(jié)，直觀地評估基床整平效果;（3）承箱安裝后多波束測深結(jié)合三維掃描儀（一種測站式微型高精度多波束）對碼頭前趾及承箱接縫進(jìn)行測量，評估承箱安裝質(zhì)量;（4）運營期定期用多波束掃測承箱的箱體及碼頭前趾的水流沖刷情況。

2.2.3 疏浚工程量計算方面

港口與航道的疏浚工程中工程量的計算涉及巨大的經(jīng)濟(jì)利益（水深測量誤差1厘米對應(yīng)的工程量為每平方公里1萬立方），因此水深測量精度的微量提高對于大面積水域的疏浚工程量具有重大意義。根據(jù)《水運工程測量規(guī)范》（JTS131-2012），單波束測深數(shù)據(jù)用于計算工程量時，采用隨機(jī)等間距的方式取點，該思想是利用隨機(jī)等效影響的概念保障計算精度。而多波束測深可測得地表細(xì)節(jié)，利用高密度的多波束數(shù)據(jù)可精確計算工程量。然而原始的多波束測點間距為分米級，造成海量數(shù)據(jù)，不利于計算機(jī)運算，因此需要建立新的數(shù)據(jù)選取機(jī)制。主流的方格網(wǎng)法或等間距法選點均導(dǎo)致地形不同程度的失真，容易忽略地形特征點。筆者根據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗，提出新的數(shù)據(jù)壓縮方法：地形特征值法。該方法以最原始的高密度多波束數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，相鄰的4個測深點構(gòu)成一個四棱錐，視為一個微地形單元。設(shè)置該棱椎的幾何參數(shù)作為選點門限，區(qū)分出平坦地形和復(fù)雜地形，實現(xiàn)選取的水深點既不冗繁，又能準(zhǔn)確體現(xiàn)地形特征。這樣既實現(xiàn)了數(shù)據(jù)大幅壓縮，又保障了地形細(xì)節(jié)的真實表達(dá)，既解決數(shù)據(jù)冗繁的問題，又保障計算精度。

3 結(jié)語

綜上所述，在未來的研究中應(yīng)進(jìn)一步對多波束系統(tǒng)在海洋測量中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的研究與分析，希望本文能夠為多波束系統(tǒng)在海洋測量中的應(yīng)用研究提供幾點借鑒，并為我國海洋航道的發(fā)展提供積極的推動作用。

參考文獻(xiàn)

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