关键词：多波束测深系统；现代海洋测绘；应用
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多波束测深技术优势
与单波束相比，多波束具有测点密度大、精度高、可视化等特点，能完成常规方法难以胜任的测深任务，优势明显；此外，其波束开角（0.5o～1o）远远小于单波束开角（8o），在微地形探测方面开启了新的应用领域。（1）单波束姿态改正的缺陷。单波束测量时，涌浪补偿器只能修正对涌浪造成的升沉进行改正，对于测船的摇晃无法修正。由此带来的测深误差在低等级的水深测量时在可接受范围，但在复杂地形或具有大坡度的工程体上测深时，其影响不可忽略。船体的摇摆造成测点位置的偏移，平面为ds，高程为dh，如下图所示，ds=h?sinα（α为测船瞬间倾角），dh=ds?k(k为坡比)，水深h取20m、测船倾角α取3o时，坡比k取1:1.5时，计算得ds=1.04m，dh=0.7m。这一偏差已超出《水运工程测量规范》（JTS131-2012）的精度要求（水深小于20m时，单波测深重合点互差限差为0.2m）。外业作业时，测船倾角超过3o的情况是很常见的，故复杂地形情况下单波束精度是很不理想的，因此国际海道测量组织（IHO）制定的新海道测量标准（IHOS-44）规定高级别的水深测量必须采用多波束（如图1）。不同于单波束，多波束的姿态系统可实时观测船体的三维瞬姿态角，通过软件修正波束发射角度，有效地解决测量载体姿态对测量结果的影响。（2）多波束的微地形探测能力。波束的开角越小，其“脚印”越小，代表其声学探测能力越强。单波束的波束开角度为8°，多波束开角仅仅为0.5°～1°度。开角越小，在多波束的一个发射扇面上的波束也就越多，所测地形越精细。单波束只能通过加大测深比例，增加测点密度，但受限于其波束性能，其微地形的探测能力也是无法与多波束相比的。（3）多波束的测深精度。多波束测深的精度是比较高的。经过近20年的发展，目前国内已形成了一套数据处理技术及误差控制理论，在成果质量评定和控制方面也比较成熟。根据相关文献研究结果，RESON公司较早型号的Seabat8101多波束的中央波束在30m水深时，中间波束的平面及高程综合误差为0.034m和0.068m，这一数量级的误差是单波束无法比拟的。目前最新型号的SeabatT50在各项技术指标上远优于高于Seabat8101，故其达到的精度还要更高。
3海洋测绘标准与规范
我国海洋测绘标准规范在信息获取、处理、应用等方面都取得了长足的进步，但与发达国家相比，其整体水平仍有一定的差距，主要体现为:海洋基础测绘法规建设相对滞后，标准化工作机构还不够健全，在高层次统筹、规划和指导海洋测绘标准化活动的能力还不太强，影响了海洋测绘国家标准、国家军用标准和行业标准的编制修订;军地双方自成体系、各自为政，制约了军地双方海洋测绘信息采集、汇集、处理、应用、共享的融合效果。海洋测绘标准体系不够完备，部分现行标准规范时效性不强，针对新技术、新工艺、新数据源的海洋基础地理信息获取、处理、更新、应用等标准的研制进展滞后，适应信息化海洋测绘发展阶段所需的各种标准研制工作仅处于起步阶段;参与IHO等国际标准化活动程度不高，对体系框架和概念理论分析多，对标准规范实际应用探索不够，减缓了与国际标准接轨的进程。
4基于多波束测深技术的海洋测绘新思路
（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）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。
结语
由于海洋有其流速多变、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。在现代海洋应急的情况下，快速、准确确定事故的位置和状态，对及时正确地作出应急反馈尤为重要。现代海洋测绘的准确与否，直接关系着海洋紧急情况应急措施实施是否顺利进行。随着测量技术的飞速发展和新设备的陆续运用，海洋测绘方法也发生了较大变化。现今，多波束系统在海洋测绘中得以广泛应用，并在海洋紧急情况应急措施实施中发挥重要作用。
参考文献
[1]刘果.海洋测绘中多波束测深技术的应用趋势[J].科技创新与应用,2016(15):298-298.
[2]田勋.肖付民.朱小辰，等.多波束测深系统各误差的传播影响规律分析[J].海洋测绘,2011(31):23-27.
论文作者:刘刚
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年5卷12期
论文发表时间:2019/11/18
标签：波束论文; 海洋论文; 地形论文; 测量论文; 水深论文; 误差论文; 精度论文; 《工程管理前沿》2019年5卷12期论文;