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[摘 要] 多波束测量技术作为一种新的水深测量技术已经得到广泛应用。本文主要介绍了多波束系统组成,外业测量控制要点,内业数据处理要求等内容。根据实际经验得出在疏浚工程中的应用情况及数据分析,可以看出其高效、直观特点,将在疏浚工程中得到广泛应用。
[关键词]多波束测量 疏浚工程 数据处理 数据分析
1、引言
随着声纳技术和计算机技术的发展,上世纪70年代在水深测量中出现了一种能同时获得多个水深点的多波束测量技术。它能在一个发射脉冲内测得上百个测量数据,能更精确地表达水下目标的形状及大小,准确地描述海底地形特征。和传统的单波束测深仪相比,其具有测量数据量大、分辨率高、精度高和全覆盖的特点,使水深测量发生了由点到面的巨大变化。
疏浚工程主要是使用各类挖泥船按设计要求对港口航道进行拓宽或浚深,是改善和维护港口航道通航条件的主要手段,从而促进水运事业发展。而水深测量作为检验疏浚成果的重要手段,起着至关重要的作用,被人们喻为“水深测量是疏浚的眼睛”。
2、多波束系统组成及数据采集
2.1系统组成
多波束测量系统seabat主要由多波束测深仪、电子罗经、涌浪补偿器、GPS和采集数据电脑、声速剖面仪等组成。多波束测深仪作为发射和接收脉冲信号,进行实时数据采集;外围辅助设备主要进行实时定位、记录测量船实时姿态、显示海底地形及数据处理、存储等功能。多波束测深系统是一个由多个传感器组成的综合系统,其测量成果质量不仅取决于多波束自身数据质量,还取决于辅助传感器测量参数的精度。其组成见下图。
2.2系统安装
多波束系统安装通常采用船舷安装或者船底固定安装模式,其要点是探头必须安装在一个平稳的地方,远离机械振动和噪音,探头吃水最好要超过船体1m,以减少水下气泡的影响。电罗经安装方向要与船艏向平行且位于测量船重心处。安装完成后,建立船体坐标系,量取各仪器相对位置关系。一般需要进行吃水校正,电罗经安装校准,GPS延时、横摇roll、纵摇pitch及船艏向Yaw的安装误差校准。其各项校准误差顺序也需安装上述步骤进行,比如横摇roll在平坦海区进行,基本不需要考虑纵摇pitch的影响;反之,若先进行纵摇pitch校准则会产生地形失真,影响校准结果。各项校准项目应在现场进行,其校准结果使校准数据基本重合,校准后残差应呈正态分布。根据刘芳兰等人的研究,0.1°横摇角度误差分别至少产生了0.08%的水深误差,尤其对横摇roll校准其精度必须达到0.01°。因此,其系统安装校准质量直接决定着测量成果,其各项校准是非常必要的。
2.3外业施测
1)根据规范要求,一般多波束布线原则是平行于等深线、挖槽方向和岸线方向进行布线。其布线间距在外业测量期间要根据实际水深情况和相重叠的程度,合理调整测线间距,以避免扫测盲区,或不必要的过量重叠,根据经验对seabat8101多波束系统,一般是有效水深的3～5倍。
2)正式测量前,应确定声速剖面的地点和时间。其地点是沿岸线方向在测区中部进行,在河口地区(如珠江口)或敏感测区应增加剖面次数,选取有代表性的声速地点。其时间应在测量前后各进行一次。海水的声速剖面特征和结构变化对水深测量精度控制十分重要。
3)测量船应在预定的测线方向上保持匀速直线航行,航速不能超过设计最大航速。根据波束角发射效应及实践经验,对seabat系列我们认为7～8kn比较合适。在线测量时,宜使用小舵角修正航向,尽母避免急转弯。
4)数据采集前应仔细检查系统设备是否工作正常;检查系统设备参数设置是否正确;检查测船坐标系统定义是否正确,系统设备安装偏移值输入是否正确;检查导航测线文件、格网文件和背景文件调入是否正确。数据采集过程中应密切注意各监视窗口数据质量,并注意观察和监视多波束系统各相关设备运转状态,随时掌握外界环境因素的变化情况,测量中应及时填写外业观测记录。
3、数据处理及分析
3.1内业处理
疏浚工程中多波束测量数据处理的原则是“去伪存真”,就是内业处理时要剔除掉无效的假水深值,同时要保留住真实的、有代表意义的水深点,因为这些点对疏浚验收和航道通航有着重要意义。因此要尽可能保证测量成果和海底实际地形相一致,既要保证没有浅点遗漏现象,也要避让剔除不干净产生伪浅点现象。从而是测量成果满足疏浚工程检测及验收要求。
内业数据处理采用Caris软件的HIPS模块进行,在线模式下主要是对数据采集软件采集来的各传感器数据(PDS数据格式)进行处理,对水深数据设定各项合理的过滤参数删除大部分的假信号,处理的顺序是:
(1)建立船型文件和项目文件,PDS数据输入。
(2)潮位、声速输入,然后合并生成条带。
(3)对船姿(Pith、roll、heave、gyro)数据与水深数据、导航数据进行检查(EXAMINATION),对船姿态进行校正。
(4)建立地域图表,利用CUBE技术生成水深地形曲面。
(5)在块模式(SUBSET)下是对线模式里的数据合并后产生的水深及位置进行精过滤,对两条相邻测线重覆盖的地方的多余观测数据进行筛选,删除,以保留高精度的水深数据。
(6)数据处理完毕,在HIPS中将数据转换成ACSII码数据。
3.2数据分析应用
1)根据输出的数据,绘制各类需要水深图及断面图。由于多波束测量数据量大、全覆盖测量,可满足不同比例尺成图要求,精准表达海底地形。同时,使用该数据进行断面图绘制,能保证断面线的连续、光滑、美观。
2)根据疏浚工程施工需要,编制各类施工导航文件,有效指导挖泥船进行施工,提高施工效率及开挖质量。利用大批量数据计算疏浚工程量,其结果与实际开挖量更加接近,能真实反映施工情况。
3)等深线作为海底地形图的一种重要表达方式,不仅反映了水深还反映了海底地形变化情况。由于多波束测量数据能全覆盖反映海底地形,因此其绘制出来的等深线能更真实地反映实际情况,而且美观、好看。
4)利用多波束测量数据能生成海底三维图和视频文件,它能够直观的、可视化的、动态的反应海底地形,提高施工船舶效率及扫浅效果。把以前看不到、摸不着的水下情况清晰地表达出来,使原来的二维数据拓展到三维空间表达。
4、结语
4.1目前我们还没有通用的多波束水深测量规范,针对外业测量及数据处理的标准化无具体依据,不利于保证数据质量及数据传输,而我们现阶段使用国外软件主要是依据国际海道测量组织(IHO)的相关标准。
4.2在疏浚工程后期扫浅及验收阶段,多波束扫测能非常容易发现浅点位置、形状、大小等信息,指导挖泥船施工扫浅非常重要。根据我们最近几年在华南沿海各港口航道的应用,效果非常明显。
4.3现在新型多波束能接受GPS授时,从而解决了系统延时问题;而波束角大小可调节功能则解决了测量效率与质量要求的问题。
参考文献:
[1]美国劳雷工业公司.多波束系统seabat系列操作手册.2007.
[2]王闰成黄永军.多波束测量外业实施研究《海洋测绘》[J].2007年3期.
[3]刘方兰,张志荣,余平.多波束系统横摇、纵倾参数的校正方法《吉林大学学报(地球科学版)》[J].2004年4期.
作者简介:
王照田(1981-)男,助理工程师,从事多波束测量及工程管。
[关键词]多波束测量 疏浚工程 数据处理 数据分析
1、引言
随着声纳技术和计算机技术的发展,上世纪70年代在水深测量中出现了一种能同时获得多个水深点的多波束测量技术。它能在一个发射脉冲内测得上百个测量数据,能更精确地表达水下目标的形状及大小,准确地描述海底地形特征。和传统的单波束测深仪相比,其具有测量数据量大、分辨率高、精度高和全覆盖的特点,使水深测量发生了由点到面的巨大变化。
疏浚工程主要是使用各类挖泥船按设计要求对港口航道进行拓宽或浚深,是改善和维护港口航道通航条件的主要手段,从而促进水运事业发展。而水深测量作为检验疏浚成果的重要手段,起着至关重要的作用,被人们喻为“水深测量是疏浚的眼睛”。
2、多波束系统组成及数据采集
2.1系统组成
多波束测量系统seabat主要由多波束测深仪、电子罗经、涌浪补偿器、GPS和采集数据电脑、声速剖面仪等组成。多波束测深仪作为发射和接收脉冲信号,进行实时数据采集;外围辅助设备主要进行实时定位、记录测量船实时姿态、显示海底地形及数据处理、存储等功能。多波束测深系统是一个由多个传感器组成的综合系统,其测量成果质量不仅取决于多波束自身数据质量,还取决于辅助传感器测量参数的精度。其组成见下图。
2.2系统安装
多波束系统安装通常采用船舷安装或者船底固定安装模式,其要点是探头必须安装在一个平稳的地方,远离机械振动和噪音,探头吃水最好要超过船体1m,以减少水下气泡的影响。电罗经安装方向要与船艏向平行且位于测量船重心处。安装完成后,建立船体坐标系,量取各仪器相对位置关系。一般需要进行吃水校正,电罗经安装校准,GPS延时、横摇roll、纵摇pitch及船艏向Yaw的安装误差校准。其各项校准误差顺序也需安装上述步骤进行,比如横摇roll在平坦海区进行,基本不需要考虑纵摇pitch的影响;反之,若先进行纵摇pitch校准则会产生地形失真,影响校准结果。各项校准项目应在现场进行,其校准结果使校准数据基本重合,校准后残差应呈正态分布。根据刘芳兰等人的研究,0.1°横摇角度误差分别至少产生了0.08%的水深误差,尤其对横摇roll校准其精度必须达到0.01°。因此,其系统安装校准质量直接决定着测量成果,其各项校准是非常必要的。
2.3外业施测
1)根据规范要求,一般多波束布线原则是平行于等深线、挖槽方向和岸线方向进行布线。其布线间距在外业测量期间要根据实际水深情况和相重叠的程度,合理调整测线间距,以避免扫测盲区,或不必要的过量重叠,根据经验对seabat8101多波束系统,一般是有效水深的3～5倍。
2)正式测量前,应确定声速剖面的地点和时间。其地点是沿岸线方向在测区中部进行,在河口地区(如珠江口)或敏感测区应增加剖面次数,选取有代表性的声速地点。其时间应在测量前后各进行一次。海水的声速剖面特征和结构变化对水深测量精度控制十分重要。
3)测量船应在预定的测线方向上保持匀速直线航行,航速不能超过设计最大航速。根据波束角发射效应及实践经验,对seabat系列我们认为7～8kn比较合适。在线测量时,宜使用小舵角修正航向,尽母避免急转弯。
4)数据采集前应仔细检查系统设备是否工作正常;检查系统设备参数设置是否正确;检查测船坐标系统定义是否正确,系统设备安装偏移值输入是否正确;检查导航测线文件、格网文件和背景文件调入是否正确。数据采集过程中应密切注意各监视窗口数据质量,并注意观察和监视多波束系统各相关设备运转状态,随时掌握外界环境因素的变化情况,测量中应及时填写外业观测记录。
3、数据处理及分析
3.1内业处理
疏浚工程中多波束测量数据处理的原则是“去伪存真”,就是内业处理时要剔除掉无效的假水深值,同时要保留住真实的、有代表意义的水深点,因为这些点对疏浚验收和航道通航有着重要意义。因此要尽可能保证测量成果和海底实际地形相一致,既要保证没有浅点遗漏现象,也要避让剔除不干净产生伪浅点现象。从而是测量成果满足疏浚工程检测及验收要求。
内业数据处理采用Caris软件的HIPS模块进行,在线模式下主要是对数据采集软件采集来的各传感器数据(PDS数据格式)进行处理,对水深数据设定各项合理的过滤参数删除大部分的假信号,处理的顺序是:
(1)建立船型文件和项目文件,PDS数据输入。
(2)潮位、声速输入,然后合并生成条带。
(3)对船姿(Pith、roll、heave、gyro)数据与水深数据、导航数据进行检查(EXAMINATION),对船姿态进行校正。
(4)建立地域图表,利用CUBE技术生成水深地形曲面。
(5)在块模式(SUBSET)下是对线模式里的数据合并后产生的水深及位置进行精过滤,对两条相邻测线重覆盖的地方的多余观测数据进行筛选,删除,以保留高精度的水深数据。
(6)数据处理完毕,在HIPS中将数据转换成ACSII码数据。
3.2数据分析应用
1)根据输出的数据,绘制各类需要水深图及断面图。由于多波束测量数据量大、全覆盖测量,可满足不同比例尺成图要求,精准表达海底地形。同时,使用该数据进行断面图绘制,能保证断面线的连续、光滑、美观。
2)根据疏浚工程施工需要,编制各类施工导航文件,有效指导挖泥船进行施工,提高施工效率及开挖质量。利用大批量数据计算疏浚工程量,其结果与实际开挖量更加接近,能真实反映施工情况。
3)等深线作为海底地形图的一种重要表达方式,不仅反映了水深还反映了海底地形变化情况。由于多波束测量数据能全覆盖反映海底地形,因此其绘制出来的等深线能更真实地反映实际情况,而且美观、好看。
4)利用多波束测量数据能生成海底三维图和视频文件,它能够直观的、可视化的、动态的反应海底地形,提高施工船舶效率及扫浅效果。把以前看不到、摸不着的水下情况清晰地表达出来,使原来的二维数据拓展到三维空间表达。
4、结语
4.1目前我们还没有通用的多波束水深测量规范,针对外业测量及数据处理的标准化无具体依据,不利于保证数据质量及数据传输,而我们现阶段使用国外软件主要是依据国际海道测量组织(IHO)的相关标准。
4.2在疏浚工程后期扫浅及验收阶段,多波束扫测能非常容易发现浅点位置、形状、大小等信息,指导挖泥船施工扫浅非常重要。根据我们最近几年在华南沿海各港口航道的应用,效果非常明显。
4.3现在新型多波束能接受GPS授时,从而解决了系统延时问题;而波束角大小可调节功能则解决了测量效率与质量要求的问题。
参考文献:
[1]美国劳雷工业公司.多波束系统seabat系列操作手册.2007.
[2]王闰成黄永军.多波束测量外业实施研究《海洋测绘》[J].2007年3期.
[3]刘方兰,张志荣,余平.多波束系统横摇、纵倾参数的校正方法《吉林大学学报(地球科学版)》[J].2004年4期.
作者简介:
王照田(1981-)男,助理工程师,从事多波束测量及工程管。