成 芳，胡迺成

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧　大連　116041）

多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)優(yōu)化方法研究

成 芳，胡迺成

（中國(guó)人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧大連116041）

隨著多波束測(cè)深技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及人們對(duì)高精度海底地形測(cè)量的迫切需求，海洋測(cè)深已由離散、低精度、低效率向全覆蓋、高精度、高效率的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)已不能滿足對(duì)海底精細(xì)描述的要求。而測(cè)線布設(shè)作為海區(qū)技術(shù)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)方法仍相對(duì)滯后?；谶@一現(xiàn)狀，在深入分析測(cè)線布設(shè)對(duì)測(cè)量成果的影響機(jī)制基礎(chǔ)上，提出了一種全新的多波束測(cè)線布設(shè)優(yōu)化方法，并詳細(xì)給出流程圖。整體研究結(jié)果表明：該優(yōu)化方法是合理可行的，體現(xiàn)了逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想，更符合實(shí)際測(cè)量需求。

多波束測(cè)量；全覆蓋測(cè)量；技術(shù)設(shè)計(jì)；地形分辨率；測(cè)線間距

《國(guó)際海道測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定，基于多波束的特等和1 a等測(cè)量，首先必須保證全覆蓋測(cè)量［1-3］。在此基礎(chǔ)上，采樣點(diǎn)密度越大，海底地形分辨率越高，對(duì)海底地形的描繪越精細(xì)，越能完善地顯示海底地形。因此，海底地形描繪的精細(xì)程度取決于采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，而采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)主要通過測(cè)線間距的調(diào)整來控制，測(cè)線間距選擇過窄，雖然保證了海底地形分辨率的要求，但會(huì)增加工作量、降低測(cè)量效率；測(cè)線間距選擇過寬，又極大地降低了海底地形分辨率，無法保證測(cè)量成果質(zhì)量。因此，測(cè)線布設(shè)作為多波束測(cè)量海區(qū)技術(shù)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，在兼顧整個(gè)測(cè)區(qū)的測(cè)量成果質(zhì)量和測(cè)量效率等方面起著極其重要甚至決定性作用。為此，本文在深入分析測(cè)線布設(shè)方式對(duì)測(cè)量成果質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上，提出一種全新的多波束測(cè)線布設(shè)優(yōu)化方法，此方法體現(xiàn)了逐步優(yōu)化的思想，最終確保在該測(cè)線布設(shè)方式下，不僅保證全覆蓋測(cè)量，還可得到滿足預(yù)定地形分辨率要求的水深數(shù)據(jù)，并且保持較高的測(cè)量效率。

1　測(cè)線布設(shè)對(duì)多波束測(cè)量的影響

測(cè)線布設(shè)包括測(cè)線方向和測(cè)線間距選擇兩個(gè)方面的問題［4］。對(duì)于測(cè)線方向，通常為使掃測(cè)寬度盡可能保持不變，測(cè)線方向盡量與等深線方向保持一致。而本文重點(diǎn)探討測(cè)線布設(shè)間距對(duì)多波束測(cè)量的影響。

1.1測(cè)線布設(shè)對(duì)全覆蓋測(cè)量的影響分析

1.1.1波束腳印覆蓋區(qū)域模型的建立波束腳印是發(fā)射波束與接收波束在海底的交叉重疊區(qū)域［5］。這里從技術(shù)設(shè)計(jì)的概略表示出發(fā)，認(rèn)為單個(gè)波束腳印的形狀為矩形即能較好地反映實(shí)際情況。

圖1　平坦海底探測(cè)腳印示意圖

圖2　波束腳印縱橫向?qū)挾鹊那蠼?/p>

如圖1～圖2，假設(shè)測(cè)船在平穩(wěn)狀態(tài)施測(cè)（忽略各種效應(yīng)對(duì)測(cè)深的影響），P為多波束換能器，令波束沿測(cè)船正橫方向的波束寬度為θy，沿測(cè)線方向的波束寬度為θx，第i個(gè)波束的入射角為θi，Li為第i個(gè)波束對(duì)應(yīng)的斜距，Hi為第i個(gè)波束測(cè)量得到的水深值，n是波束總數(shù)。Ai，Bi，Ci，Di分別為第i個(gè)波束腳印的4個(gè)頂點(diǎn)。

當(dāng)波束數(shù)n為奇數(shù)時(shí)，多波束換能器左右發(fā)射的波束數(shù)相等且按左右波束沿中央波束對(duì)稱。此時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)為中央波束的中心點(diǎn)。對(duì)于第i個(gè)波束腳印4個(gè)頂點(diǎn)，坐標(biāo)表達(dá)式如式（1）所示：

當(dāng)波束數(shù)n為偶數(shù)時(shí)，多波束換能器左右發(fā)射的波束數(shù)相等且按換能器垂線方向?qū)ΨQ。此時(shí)，yKi

式（1）中，y坐標(biāo)取值，右舷波束取正，左舷波束取負(fù)。并且，左舷取負(fù)、右舷取正。

波束腳印的邊長(zhǎng)分別為：

第i個(gè)波束腳印的面積為：

1.1.2測(cè)線布設(shè)對(duì)全覆蓋測(cè)量的影響分析為直觀說明測(cè)線布設(shè)間距對(duì)全覆蓋測(cè)量的影響，以Seabat 8101多波束測(cè)深儀為例［6］，利用上節(jié)建立的波束腳印覆蓋區(qū)域模型仿真不同測(cè)線間距的波束覆蓋情況，為便于顯示，圖中截取相鄰兩測(cè)線間的波束覆蓋區(qū)域進(jìn)行顯示。

實(shí)驗(yàn)中，測(cè)船在平穩(wěn)狀態(tài)下施測(cè)（不考慮其它測(cè)深效應(yīng)的影響），船速6 kn，設(shè)計(jì)水深10 m，波束采樣率設(shè)為10 Hz。SeaBat 8101多波束測(cè)深儀的波束寬度為1.5°×1.5°，扇面開角150°，101個(gè)波束。

圖3　不同測(cè)線間距時(shí)的波束腳印覆蓋區(qū)域圖

從圖3中看出：以換能器扇區(qū)寬度為測(cè)線間距，實(shí)現(xiàn)了條帶與條帶間的全覆蓋（如圖3（a））。若增大測(cè)線間距，兩條帶間出現(xiàn)空白區(qū)（如圖3（b））；若減小測(cè)線間距，將造成測(cè)船正橫方向條帶與條帶間有重疊部分（如圖3（c））。實(shí)際測(cè)量時(shí)，不同測(cè)量要求對(duì)重疊度的要求也不相同［7-8］，應(yīng)根據(jù)不同要求適度增加或減小測(cè)線間距。若重疊度過大，勢(shì)必影響測(cè)量效率；如果測(cè)線間距過大，將產(chǎn)生測(cè)量遺漏，無法實(shí)現(xiàn)橫向的全覆蓋測(cè)量，更無法保證系統(tǒng)探測(cè)能力，從而必將影響海底地形的測(cè)量結(jié)果。因此，只有選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)線間距，才能在兼顧橫向全覆蓋探測(cè)的同時(shí)，有效提高測(cè)量效率。

1.2測(cè)線布設(shè)對(duì)海底地形分辨率的影響分析

為了進(jìn)一步研究測(cè)線布設(shè)優(yōu)化方法，本文進(jìn)行了仿真計(jì)算。首先采用Matlab語言構(gòu)建復(fù)雜變化海底（如圖4），利用Seabat 8101多波束測(cè)深儀（不考慮等距發(fā)射）沿測(cè)線方向?qū)５走M(jìn)行仿真采樣（忽略各種測(cè)深效應(yīng)對(duì)測(cè)深的影響），詳細(xì)分析測(cè)線布設(shè)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

采用的具體分析方法是：直接將先驗(yàn)海圖進(jìn)行格網(wǎng)化（本文內(nèi)插得到2 m×2 m格網(wǎng)點(diǎn)），模擬水深測(cè)量沿Y軸仿真采樣，統(tǒng)計(jì)分析半ping波束覆蓋區(qū)域內(nèi)平行于測(cè)線方向的每一列格網(wǎng)所獲得的采樣點(diǎn)均值，并繪制相應(yīng)的關(guān)系圖（如圖5）。調(diào)整測(cè)線布設(shè)間距，通過考察半ping波束覆蓋區(qū)域內(nèi)不同列格網(wǎng)內(nèi)橫向采樣點(diǎn)均值的變化情況，來分析測(cè)線布設(shè)間距對(duì)格網(wǎng)橫向采樣點(diǎn)密度的影響。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)船速8 kn，設(shè)計(jì)水深30 m。

圖4　復(fù)雜變化海底示意圖

圖5　沿Y軸測(cè)量各列網(wǎng)格采樣點(diǎn)均值

圖6　不同測(cè)線間距各列網(wǎng)格采樣點(diǎn)均值變化趨勢(shì)圖

表1　沿Y軸施測(cè)，半ping波束覆蓋區(qū)域內(nèi)不同測(cè)線間距的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)一覽表

從圖5中可直觀看出，第1列格網(wǎng)（距中央聲線0～2 m范圍內(nèi)）的采樣點(diǎn)均值最大。從第2列格網(wǎng)（距中央聲線2～4 m）開始，采樣點(diǎn)均值逐漸變小，到第18列格網(wǎng)（距中央聲線34～36 m）的采樣點(diǎn)均值為1，從第19列開始平均獲得不到1個(gè)采樣點(diǎn)。這說明若不考慮多波束換能器等距發(fā)射，越遠(yuǎn)離中央波束，獲得的采樣點(diǎn)越少，對(duì)海底表面的描繪越不精細(xì)。

為方便比較，考察不同測(cè)線間距時(shí)第2列至第25列采樣點(diǎn)均值的變化情況（見表1）。對(duì)比表1和圖6可以得出，同一列格網(wǎng)，越靠近中央波束，采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化越緩慢，這是由于單ping內(nèi)各波束點(diǎn)的距離由多波束系統(tǒng)自身指標(biāo)及水深決定，與測(cè)線布設(shè)間距無關(guān)。而越靠近邊緣波束的格網(wǎng)，采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)隨測(cè)線間距的變化變得明顯，換句話說，越靠近邊緣波束的格網(wǎng)，隨著測(cè)線間距的減小，其內(nèi)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)逐漸增大。以第25列（距中央聲線48～50 m）為例，當(dāng)測(cè)線間距由150 m減少至50 m時(shí)，平均采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)由0個(gè)增至4個(gè)。

綜合上述仿真實(shí)驗(yàn)得出，單ping內(nèi)，不同波束施測(cè)得到的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)存在較大差異，越靠近中央波束，獲得的采樣點(diǎn)越多，地形描繪得越精細(xì)；對(duì)于邊緣波束，其內(nèi)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)受測(cè)線布設(shè)間距的影響較大，其隨著測(cè)線增大而逐漸較少。這也充分表明了測(cè)線間距是影響海底地形橫向分辨率的重要因素。

2　多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)優(yōu)化方法

通過上一節(jié)的分析結(jié)果和認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步對(duì)如何進(jìn)行測(cè)線的合理布設(shè)進(jìn)行研究。首先給出測(cè)線布設(shè)的基本原理和方法，最后總結(jié)歸納給出多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)的步驟。

2.1多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)的基本原理

多波束測(cè)線布設(shè)的基本原則是將先驗(yàn)海底地形格網(wǎng)化，通過控制每個(gè)格網(wǎng)的分辨率，來使得格網(wǎng)分辨率與測(cè)線間距相匹配，最終滿足海底地形分辨率的要求。

由于海底地形分辨率，根本上取決于海底地形的區(qū)域變化特征，因此，本文提出如下測(cè)線布設(shè)的基本原理：根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際水深分布和多波束系統(tǒng)自身覆蓋倍數(shù)情況合理選擇多波束測(cè)深系統(tǒng)后，通過設(shè)計(jì)調(diào)整測(cè)線布設(shè)間距，在保證全覆蓋測(cè)量的基礎(chǔ)上，控制采樣點(diǎn)密度，最終保證測(cè)量成果滿足預(yù)定的海底地形分辨率要求。

具體實(shí)施時(shí)，還應(yīng)考慮到施測(cè)的方便性和測(cè)量效率等因素的影響，來綜合確定最佳的測(cè)線布設(shè)方案。

2.2多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)方法

具體地說，可按圖7的流程圖來確定滿足預(yù)定海底地形分辨率要求的測(cè)線間距。

特別需要指出的是，本文提出這種全新的測(cè)線布設(shè)的方法，是想體現(xiàn)出“實(shí)踐－認(rèn)識(shí)－再實(shí)踐－再認(rèn)識(shí)”的哲學(xué)思想，也體現(xiàn)了理論來源于實(shí)踐，并用于指導(dǎo)進(jìn)一步的實(shí)踐。即應(yīng)充分了解先驗(yàn)的海水深信息，然后提出較為合理的初測(cè)方案，再根據(jù)初測(cè)得到的最新水深信息，進(jìn)一步對(duì)測(cè)線布設(shè)方法進(jìn)行優(yōu)化，最終確保在該測(cè)線布設(shè)方式下，得到滿足地形分辨率要求的水深數(shù)據(jù)，并且保持最高的測(cè)量效率。

本文提出的測(cè)線布設(shè)方法還體現(xiàn)了逐步優(yōu)化的設(shè)計(jì)思想，當(dāng)然也增加了測(cè)線布設(shè)技術(shù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度。不過現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為此提供了良好的解決環(huán)境。事實(shí)上，本文在研究過程中已編制了專用的多波束測(cè)量測(cè)線布設(shè)的技術(shù)設(shè)計(jì)軟件，該軟件可提供作業(yè)單位使用，同時(shí)該軟件系統(tǒng)也直接提高了水深測(cè)量的信息化、自動(dòng)化程度。

圖7　基于海底地形分辨率的多波束測(cè)深測(cè)線間距優(yōu)化選取方法流程圖

3　結(jié)語

針對(duì)如何合理確定測(cè)線布設(shè)方式使其可同時(shí)兼顧測(cè)量效率與測(cè)量質(zhì)量這一問題，本文提出了全新的多波束測(cè)線布設(shè)優(yōu)化方法。研究過程采用了系統(tǒng)的、優(yōu)化的理念，可有效平衡測(cè)線間距和采樣點(diǎn)的關(guān)系，在充分考慮海底地形分辨率要求的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)線布設(shè)間距進(jìn)行逐步優(yōu)化。整體研究結(jié)果：該方法是合理可行的，為高質(zhì)高效地完成水深測(cè)量任務(wù)提供了有力的技術(shù)支持。

［1］國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB12327-1998.海道測(cè)量規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［2］IHO.IHOStandards for Hydrographic Surveys，S-44，5th Edition［S］.Monaco:International Hydrographic Bureau，2008.

［3］劉雁春.海洋測(cè)深空間結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)處理［M］.北京:測(cè)繪出版社，2002.

［4］夏偉，劉雁春，邊剛，等.基于海底地貌表示法確定主測(cè)深線間隔和測(cè)圖比例尺［J］.測(cè)繪通報(bào)，2004（3）:24-27.

［5］李家彪，王小波，華祖根，等.多波束勘查原理技術(shù)與方法［M］.北京:海洋出版社，1999.

［6］SeaBat8101 MultibeamEchosounder SystemOPERATOR'SMANUALVersion 2.02［EB/OL］.http://www.reson.com，Reson，2003.

［7］劉雁春，肖付民，暴景陽(yáng).面向21世紀(jì)的海洋測(cè)深（改正）新技術(shù)［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，1996（3）:17-22.

［8］Barbara A Bond.Strategic Considerations for International Hydrography in the 21st Century［J］.International Hydrographic Review，1996，LXXIII（2）:5-7.

Research on the Optimization Method for Survey Line Layout in Multi Beam Survey

CHENG Fang，HU Nai-cheng
Troop 91439，The People's Liberation Army of China，Dalian 116041，Liaoning Province，China

With wide application of multibeam echosounder systems and urgent need for high-precision bathymetric survey，traditional technical design is no longer able to meet the demand of accurate seafloor topographic survey.The development trends of marine bathymetry are featured by full coverage，high accuracy and high efficiency.As an important link in technical design，the survey line layout technique has not been fully developed in China.On the basis of analyzing the effect mechanism of survey line layout on surveying results，a newly optimized method of multibeam survey line layout is presented，with a detailed flow diagram given in this paper.The results from the overall research indicate the feasibility of this optimizing method，which embodies the gradual design idea，well suited to practical surveying requirements.

multibeam survey；full-coverage survey；technical design；bathymetric resolution；survey line interval

P229.1

A

1003-2029（2016）02-0087-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.016

2015-04-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41374108，41476087）

成芳（1981-），女，博士，工程師，主要從事海洋環(huán)境測(cè)量和系統(tǒng)總體研究。E-mail：chengfangtl@163.com