◎ 曹敬濤 何邦濤 李海鵬 廣州海事測(cè)繪中心

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粵東水域定線制中海洋測(cè)繪技術(shù)的研究應(yīng)用

◎ 曹敬濤 何邦濤 李海鵬 廣州海事測(cè)繪中心

摘 要：介紹在粵東定線制水域掃測(cè)工作中，大范圍海域潮位控制的方法，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用探討多種測(cè)繪設(shè)備和技術(shù)的綜合應(yīng)用研究，既提高了工作效率，又逐漸形成了完善的工作流程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)該水域定線制海底地形地貌、潮汐、流速流向等地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、分析、研究，不但為船舶航行提供安全保障，也為海上救助打撈、海洋管理、合理規(guī)劃航線、海洋勘探等活動(dòng)的開(kāi)展提供支持。

關(guān)鍵詞：船舶定線制 潮汐控制 CUBE數(shù)據(jù)處理 障礙物探測(cè)

1.引言

船舶定線制是指由岸基部門(mén)用法律規(guī)定或推薦形式指定船舶在水上某些區(qū)域航行時(shí)所遵循或采用的航線、航路或通航分道的一種制度，是水上交通繁忙區(qū)域?qū)嵤┯行Ы煌ü芾淼闹饕侄?，是?duì)航路合理規(guī)劃、有效利用的重要方法，代表著水上船舶航行秩序管理的發(fā)展方向。

交通運(yùn)輸部根據(jù)國(guó)際海事組織推薦的船舶定線標(biāo)準(zhǔn)，在南澎列島和石碑山附近海域規(guī)劃實(shí)施的定線制，旨在改善粵東水域交通安全形勢(shì)，規(guī)范船舶航行行為，保障船舶航行安全，減少船舶交通事故的發(fā)生。

2.概述

2.1任務(wù)來(lái)源

根據(jù)《中華人民共和國(guó)海事局關(guān)于印發(fā)2014年海事測(cè)繪計(jì)劃的通知》（海航?！?014】154號(hào)）文件和《中華人民共和國(guó)海事局關(guān)于印發(fā)2015年海事測(cè)繪計(jì)劃的通知》（海航?！?015】149號(hào)）文件的有關(guān)要求，由廣州海事測(cè)繪中心負(fù)責(zé)組織實(shí)施粵東水域船舶定線制的掃測(cè)工作。其目的是測(cè)量定線制范圍內(nèi)及其附近的海道當(dāng)前詳細(xì)水深和水文情況，探明會(huì)對(duì)過(guò)往船舶航行構(gòu)成威脅的海底障礙物，為所需海圖的出版提供最新最詳細(xì)的基礎(chǔ)測(cè)繪資料。

2.2掃測(cè)區(qū)域

圖1　粵東定線制示意圖

為改善粵東海區(qū)海上交通安全形勢(shì)，粵東水域規(guī)劃在南澎列島和石碑山附近海域設(shè)立船舶定線制，由6個(gè)通航分道和石碑山南、汕頭港外、南澎島西南、南澳島南4個(gè)警戒區(qū)組成。實(shí)際測(cè)量面積約為1540平方公里。

2.3方案選擇

根據(jù)現(xiàn)有海域資料分析，粵東定線制海域大部分水深均在30m以下，只有部分水域水深超過(guò)30m（主要在南鵬島附近），按照《全國(guó)沿海船舶定線制和航路測(cè)量技術(shù)要求》的具體要求，定線制和航路測(cè)量應(yīng)采用全覆蓋掃海測(cè)量方式，考慮到側(cè)掃聲納對(duì)航速的要求較高，結(jié)合單波束掃測(cè)方式效率偏低，且不能全面反映海底狀況，為了兼顧掃測(cè)工作的成果精度和施測(cè)效率，綜合各方面因素，確定全部粵東定線制水域采用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)。

3.潮汐控制方案分析研究

3.1潮汐概況與特征以測(cè)量區(qū)域內(nèi)的云澳、汕頭等長(zhǎng)期驗(yàn)潮站的歷史數(shù)據(jù)與局部潮汐模型等信息，考察測(cè)量區(qū)域的潮汐概況與特征，作為水位控制方案制定的基本依據(jù)。經(jīng)研究分析測(cè)量區(qū)域內(nèi)潮汐類型以不規(guī)則半日潮為主，在測(cè)區(qū)西南側(cè)過(guò)渡至不規(guī)則日潮。測(cè)區(qū)潮汐類型數(shù)梯度變化明顯，南澳島至海門(mén)灣，為不正規(guī)半日潮，靖海、神泉很小的一個(gè)地區(qū)為不正規(guī)全日潮。

利用南澳島附近測(cè)量時(shí)云澳驗(yàn)潮站與海上定點(diǎn)三天的同步驗(yàn)潮數(shù)據(jù)，兩站相距約11.6海里，三天同步驗(yàn)潮數(shù)據(jù)及其計(jì)算結(jié)果表明該測(cè)區(qū)沿垂直岸線方向的潮差與潮時(shí)差均不大，與潮汐類型數(shù)等值線圖、分潮潮波圖反映的情況相吻合。

3.2潮位改正方案確定

鑒于潮位情況和基本特征的分析研究，粵東定線制水域的潮位改正可比較分析以下兩種方法，一是基于潮汐模型與余水位監(jiān)控的潮位改正法，二是基于最小二乘曲線擬合法的多站潮位改正法。

（1）基于潮汐模型與余水位監(jiān)控的潮位改正法。其精度主要取決于兩個(gè)方面：①區(qū)域潮汐模型的覆蓋程度、分辨率與精度；②余水位的空間相關(guān)性。對(duì)潮汐類型無(wú)要求，關(guān)注的是潮汐模型的覆蓋程度、精度與余水位空間相關(guān)性，當(dāng)潮汐模型可靠且余水位空間相關(guān)性很強(qiáng)時(shí)，只需沿岸個(gè)別驗(yàn)潮站起余水位監(jiān)控作用。利用南澳與汕頭站3年同步數(shù)據(jù)的檢測(cè)表明潮汐模型在測(cè)區(qū)滿足水位改正需求且余水位空間相關(guān)性很強(qiáng)。只布設(shè)云澳、靖海灣與T1三個(gè)驗(yàn)潮點(diǎn)。

（2）基于最小二乘曲線擬合法的潮位改正法。對(duì)驗(yàn)潮站布設(shè)的要求主要需參照海道測(cè)量規(guī)范的要求，潮位站布設(shè)的密度應(yīng)能控制全測(cè)區(qū)的潮汐變化，相鄰潮位站之間的距離應(yīng)滿足最大潮高差不大于1m，最大潮時(shí)差不大于2h，潮汐性質(zhì)基本相同?；谝陨峡紤]，計(jì)劃布設(shè)短期驗(yàn)潮站7個(gè)。其中沿岸驗(yàn)潮站4個(gè)，海上定點(diǎn)驗(yàn)潮站3個(gè)。

（3）對(duì)比分析。綜合分析以上兩種水位改正方法的對(duì)比，基于潮汐模型與余水位監(jiān)控的潮位改正法具有適用性好、對(duì)潮汐性質(zhì)沒(méi)有要求、控制范圍廣、驗(yàn)潮投入少等優(yōu)點(diǎn)，水位改正的精度優(yōu)于相關(guān)規(guī)范與規(guī)定的要求，更適合粵東定線制水域的潮位控制。

4.基于CUBE的多波束處理

多波束測(cè)深是一種具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形測(cè)量技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、精度高、記錄數(shù)字化以及效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。但多波束動(dòng)輒百萬(wàn)級(jí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，若使用傳統(tǒng)全人工數(shù)據(jù)處理的效率愈顯低下，不可避免的加大了數(shù)據(jù)檢查和后處理的難度，應(yīng)用CUBE（Combined Uncertainty and Bathymetry Estimator）算法，根據(jù)地形特征調(diào)整了幾組CUBE參數(shù)設(shè)置，對(duì)測(cè)區(qū)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)（Node）處進(jìn)行水深及其相關(guān)誤差的一種估計(jì)，運(yùn)用 CUBE 原則選擇一個(gè)“最優(yōu)”的水深估計(jì)值，最后得到節(jié)點(diǎn)處的水深及相關(guān)誤差的估計(jì)值。

多波束外業(yè)測(cè)量時(shí)參照IHO S-44規(guī)范目標(biāo)探測(cè)及CUBE建面分辨率要求進(jìn)行了測(cè)線布設(shè)和船速控制，主要在考慮40米以下水深對(duì)1-2m3目標(biāo)探測(cè)要求下的量程、PR值、脈沖長(zhǎng)度、波束掃寬、測(cè)深模式等參數(shù)的設(shè)定；多波束數(shù)據(jù)處理時(shí)根據(jù)水深和地形特征調(diào)整設(shè)置CUBE參數(shù)，建面分辨率0.25-2m，深度TPU在0.3m以內(nèi)，在過(guò)濾前后均在子區(qū)模式下進(jìn)行了反復(fù)的數(shù)據(jù)檢查，還通過(guò)查看節(jié)點(diǎn)的不確定度，識(shí)別壞數(shù)據(jù)。

CUBE技術(shù)的成熟應(yīng)用使處理人員由數(shù)據(jù)處理者向數(shù)據(jù)分析者轉(zhuǎn)變，數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)不再是簡(jiǎn)單去刪除假信號(hào)，而是分析假信號(hào)的來(lái)源、大小，極大的解放了人力，采用人機(jī)交互處理數(shù)據(jù)，提高了工作效率，為多波束的廣泛應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5.障礙物探測(cè)精細(xì)化

粵東定線制水域使用多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲納系統(tǒng)對(duì)沉船、淺點(diǎn)等11個(gè)障礙物進(jìn)行了探測(cè)，同時(shí)采集水柱數(shù)據(jù)和反散射數(shù)據(jù)分析確定障礙物特征、屬性。

多波束測(cè)深系統(tǒng)以條帶測(cè)量的方式，可以對(duì)海底進(jìn)行100%的全覆蓋測(cè)量，每個(gè)條帶的覆蓋寬度可以達(dá)到水深的數(shù)倍，可以獲得高精度的水深地形數(shù)據(jù)，為人們提供了直觀的海底形態(tài)；側(cè)掃聲納為海底探測(cè)提供了完整的海底聲學(xué)圖像。用于獲得海底形態(tài)，并對(duì)海底物質(zhì)的紋理特征進(jìn)行定性的描述。針對(duì)特殊障礙物探測(cè)，還同時(shí)進(jìn)行了水柱數(shù)據(jù)（Water Column Image）和反散射數(shù)據(jù)（側(cè)掃/Snippets）采集和處理，提供更為清晰的海底地貌圖像，更詳細(xì)地反映了整個(gè)水體中懸浮物和立柱等物體特征，進(jìn)一步確定了探測(cè)目標(biāo)性質(zhì)和最淺水深，在多波束新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域做出了有益的嘗試并取得了滿意的效果。

在水下目標(biāo)探測(cè)中，多波束測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲納系統(tǒng)的互補(bǔ)應(yīng)用已相當(dāng)普遍，能夠全方位的獲取海底目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)性質(zhì)的判斷和確認(rèn)起到了很好的互補(bǔ)作用，獲取的目標(biāo)屬性如大小、方位、姿態(tài)等數(shù)據(jù)更加豐富，加之水柱數(shù)據(jù)的采集和分析，可對(duì)目標(biāo)區(qū)域的底質(zhì)進(jìn)行分析判斷，更進(jìn)一步增強(qiáng)了探測(cè)結(jié)果的精確性和可靠性。

6.結(jié)束語(yǔ)

粵東定線制水域是我國(guó)南北航路通道要沖，通航環(huán)境十分復(fù)雜，事故多發(fā)，是廣東海事局轄區(qū)十大危險(xiǎn)水域，對(duì)該水域定線制海底地形地貌、潮汐、流速流向等地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、分析、研究，填補(bǔ)了定線制無(wú)精細(xì)多波束全覆蓋掃測(cè)數(shù)據(jù)的空白，不但為船舶航行提供安全保障，也為海上救助打撈、海洋管理、合理規(guī)劃航線、海洋勘探等活動(dòng)的開(kāi)展提供支持。

大面積的粵東定線制水域的全覆蓋掃測(cè)和數(shù)據(jù)處理是一項(xiàng)工作量巨大的測(cè)繪工程，從前期掃測(cè)方案的確定、施測(cè)計(jì)劃的制定、設(shè)備船舶的準(zhǔn)備、具體實(shí)施安排和數(shù)據(jù)成果的編繪都需要科學(xué)的謀劃、資源的合理調(diào)配和精心組織，才能兼顧安全、質(zhì)量和效率，為以后大型測(cè)繪項(xiàng)目的實(shí)施提供了豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。

在施測(cè)過(guò)程中，多種設(shè)備的綜合應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理分析方法研究，既提高了工作效率，又推廣了先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而且逐漸形成了完善的工作流程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不斷推動(dòng)海洋測(cè)繪裝備技術(shù)的向前發(fā)展。

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