多波束测量技术与海洋测绘工序的调整

多波束测量技术与海洋测绘工序的调整

唐宇方马杰

浙江华东测绘地理信息有限公司浙江省杭州市310006

摘要：多波束水深测量技术的出现引起了海洋测量技术的一次重大变革,但是水深测量的核心目的是海图产品的出版。由于多波束数据量太大,如果不调整目前的技术体系,不仅发挥不了多波束技术的特长,相反会增大由水深测量到海图产品的时间。基于此，本文主要对多波束测量技术与海洋测绘工序的调整进行分析探讨。

关键词：多波束测量技术；海洋测绘工序；调整

1、前言

伴随着现今社会经济的不断发展，人们对于水下进行地形测量的要求越来越高，这些年来，传统单波的测深仪已很难再满足社会不断增长新需求，因此，多波束水深测量技术的出现，为海洋的测量技术带来了一次巨大改变。在这种新的形势之下，必须对海洋的测绘工序与多波束的测量技术进行再次调整。

2、关于多波束测深系统

多波束的测深系统是使用多波束的原理，对海底进行测量地貌与测图的一种宽条带的回声测深的系统，是计算机、数字化传感器、水声及导航定位技术等多种技术的合成。它工作的原理是由声波利用发射与接收换能器阵再进行声波广角度的定向发射与接收，通过不同传感器对每个波束测点的空间位置进行归算，进而可以得到与航向相垂直的条带式高密度的水深数据。

测深系统所载有的处理回声的设备较多。数字磁带机可按照所规定的格式进行数据导航、时间记录、纵横摇摆、罗经航向及各波束测得的水深与船的横向距离等相关数据，以便于后期的处理；数字打印机能够对所需要的所有数据记录进行时时监控；计算机可以预先给定一种程序，在按照这种程序对不同参数及数据在船上进行实时处理；数字绘图机能够沿这校正过的航行痕迹标绘出等深线图，及时的对海底地貌轮廓进行判读；显示器则是对系统模拟输出进行时刻得到监视，可直观的对横向深度剖面进行显示。

与单个的宽波束回声测深仪相比较，多波束测深系统拥有有波束窄、横向覆盖范围大、效率高等一些优点。可以精确测定航行障碍物的位置及深度，适用于大面积的精确的测量如海上要航道及海上工程施工区等。同时它又能绘制出海底的三维图，解决了使用侧扫声呐时所出现的判读困难。更甚至有的系统还能够在冰覆盖区进行使用。

3、目前的多波测量技术与海洋测绘工序技术体系

目前海洋测绘体系已完成了数字化技术改造，目前由控制、水深、地形等的测量到海图的编辑、加工和出版，全部实现了数字化。可是与纸质海图的工序相比，目前的海洋测绘的供需变化却不大，根本原因是由于整个技术的改造是参照纸质海图的工序实施的。水深测量是海洋测绘的核心技术，目前由于单波束到多波束测量方式的改变，水深测量技术发生了重大的变革，实现了垒覆盖的海底地形测量。可是，如果不考虑改变目前的测量工序和要求，不仅不会减少海图产品化的时间和扩大海洋测绘产品的多样性。相反，由于数据量太大，却会增加海图出版机构的负担。

4、多波束测量技术与海洋测绘工序的技术调整

近年来，随着社会经济发展对水下地形测量要求的提高，传统单波测深仪已经无法满足日益增长的新需求；而可以全覆盖测量的多波束水下地形测量系统开始被逐渐应用到水利工程的测量领域，应发挥着越来越重要的作用。多波束测量系统是计算机、导航定位与数字化传感器技术等多种技术的高度集成。通过安装在测船底部的探头发射和接收声波信号，由声波在水体中的传播时间与声速乘积即可计算出水深。探头由发射探头和接收换能器组成，有多达126个相互独立的接收换能器（定向旋转发射126个波束）；接收信号通过声纳处理器再传到计算机。

多波束系统彻底改变了传统测深方法，在波束形成理论、勘测技术、校正与处理方法上形成了自身复杂的特点，在测量中需要加以注意，否则将严重影响勘测精度。

4.1多波束测量技术的影响因素

多波束测深系统采取多组阵和广角度发射与接收，形成条幅式高密度水深数据，是计算机、导航定位与数字化传感器技术等多种技术的高度集成。由于多波束系统横向、纵向测点都十分密集，这就需要由高精度GPS定位系统与之相配套，否则将造成测点位置错位，失去多波束系统勘测的意义，并使海底地形失真或畸变。因此，必须严格测量各个坐标定位数据，保证测量精度，以实现最佳的测量结果。

对多波束精度的影响因素主要包括：不同水域环境的音速对波束传播的影响、GPS定位对坐标精度的影响、测船中换能器的相对位置，以及潮位改变对水深的影响等等。以坐标系的影响为例，由于多波束测深采用广角度定向发射、多阵列信号接收和多个波束的形成及处理等技术，为了更好的说明波束的空间关系和波束海底投影点的空间位置，首先必须定义好多波束测船参考坐标系。多波束系统的换能器不论是固定还是便携式安装，其相对测量船的位置总是不变的，因此测量船是多波束勘测最现实的参考工作平台。考虑到波束空间角度表达的便利，一般测量船参考坐标系原点选择在换能器对称中心，船只横向左舷方向为X轴，船只纵向船头方向为Y轴，船只铅垂向下为Z轴。另外，运动传感器要严格安装在与船中轴平行的地方。多波束船参考坐标系是一种三坐标轴与船固定并随着船只运动而运动的坐标系，它使得多波束各测深点的相对位置与测量船只定位系统的大地空间位置建立了联系，同时也为进行传只补偿提供了空间关系和基本方法。因此，以上的坐标定位数据必须严格准确的测量。

通过实践试验可知，利用多波束测深系统，对声速、导航系统的定位、参考坐标系及潮位等影响因子加以注意，采用合理的测量方法以及对数据进行精细处理，完全能够测得准确可靠的水下地形图，发现水下地形的细微变化。

4.2海洋测绘工序的技术调整

由于技术工序的调整和测量重点的改变，必然导致海洋测绘方法和技术的变革，大量的成熟技术需要攻克，部分理论和方法需要修正。信息化不等于数字化，信息化不是单一的技术问题，综合性、体系化的思维和设计方式才是信息化的本质要求。不管是水深测量技术还是摄影测量技术，由于最终的服务对象是海图等海洋测绘产品的出版，如果不考虑海图数据库技术的影响，必然会导致海洋测量技术发展问题的出现。

多波束测量具有全覆盖、数据量大的特点，不改变目前的水深测量工序，要由多波束测量的源数据形成一个符合海图要求的水深数据是特别困难的，会极大地增加由水深测量到海图产品的时间差。结合NS（航海表面）和H-Cell（按海图综合的方法由NS抽取的水深点和等深线，同时叠加障碍物等要素组成的海图出版中的重要工序）的概念，同时参考NOAA（美国国家海洋大气管理局）的方式，调整了目前的水深测量工序。具体修测体系：

（1）水深测量数据改正和计算误差，形成网格化的NS；

（2）按照自动综合方法，由NS形成水深点和等深线H-Cell；

（3）障碍物探测数据改正，形成一个障碍物H-Cell；

（4）不同的H-Cell叠加，嵌入海图的数据库，完成海图数据的修测。

由此可见，由测量数据到网格化的NS，再由NS到H-Cell，不仅改变了水深测量成果的表现形式，形成了一个服务于数据库修测或更新的水深测量工序，同时，又可以实现海底DTM等产品的出版，提高了海洋测绘产品的多样性和丰富性。

5、结语

海洋测绘体系的三个核心环节分别产品化、海洋测量及数据库，它们相互的影响，相互的依存，并共同发展。海图数据库的完成及多波束测量技术的进步，极大地影响的数据库产品化，有效的缩短了海洋测绘产品化的时间，并且很好的提高了海洋测绘产品的多样性。

参考文献：

[1]翟国君，黄谟涛.我国海洋测绘发展历程[J].海洋测绘，2009（4）.

[2]暴景阳.海洋测绘垂直基准综论[J].海洋测绘，2009（2）.