◎ 曹敬濤 廣州海事測繪中心

水下目標(biāo)探測技術(shù)在湛江港應(yīng)急掃測中的綜合應(yīng)用

◎ 曹敬濤 廣州海事測繪中心

通過強(qiáng)臺風(fēng)“彩虹”登陸湛江港后開展的應(yīng)急掃測工作，介紹了掃測工程中多種設(shè)備、技術(shù)的綜合應(yīng)用分析，保障了轄區(qū)通航水域航行安全，成為解決水上公共安全危機(jī)的一項(xiàng)重要服務(wù)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

湛江港 彩虹 側(cè)掃聲納 多波束 航行安全 CUBE 融合分析 二三維

1.概述

2015年10月4號下午14時，強(qiáng)臺風(fēng)“彩虹”正面襲擊湛江，是1949年以來十月份登陸廣東最強(qiáng)的臺風(fēng)，給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重?fù)p失。湛江港數(shù)十艘船舶損壞、沉沒或擱淺，并有大量集裝箱和碼頭吊機(jī)等重型裝備掉落入海，大西南和華南地區(qū)貨物出海主通道的湛江港航道、港池回淤情況不明，湛江港碼頭生產(chǎn)全面停止，航道全方位封鎖，嚴(yán)重影響湛江市的救災(zāi)復(fù)產(chǎn)工作，亟待摸清水下狀況，保障船舶通航安全。

2.平面及高程基準(zhǔn)

（1）平面控制：坐標(biāo)系采用2000國家大地坐標(biāo)系，高斯3°帶投影，中央子午線為111°。

（2）高程基準(zhǔn)：高程基準(zhǔn)面采用1985國家高程基準(zhǔn)，深度基準(zhǔn)采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妗?/p>

3.側(cè)掃聲納掃測

使用側(cè)掃聲納對湛江港進(jìn)行全覆蓋掃測，保證聲納聲波在兩條測線之間區(qū)域100%重疊，不遺漏目標(biāo)。探測時聲納高低頻同時發(fā)射，獲取最佳圖像效果。發(fā)現(xiàn)可疑物體時變換測線方向，使聲納從不同方向探測目標(biāo)，獲取目標(biāo)物體不同方向的影像。

EdgeTech 4200 MP側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)采集和圖像判讀采用DISCOVER軟件進(jìn)行，Klein Hydroscan數(shù)據(jù)采集和圖像判讀使用SonarPro軟件進(jìn)行。數(shù)據(jù)后處理和圖像鑲嵌采用Hypack 2014軟件完成，通過人機(jī)交互判讀，量取目標(biāo)大小和陰影高，與實(shí)物進(jìn)行反復(fù)比較，確認(rèn)疑似物體。

4.多波束測深系統(tǒng)掃測

多波束測深系統(tǒng)掃測同時進(jìn)行Snippets數(shù)據(jù)采集，針對特殊障礙物測量還進(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。

多波束內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要采用Caris公司的HIPS and SIPS 8.1軟件進(jìn)行，在線模式下主要是對數(shù)據(jù)采集軟件采集來的各傳感器數(shù)據(jù)（XTF格式）進(jìn)行處理，采用CUBE算法，對多波束海量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，對水深數(shù)據(jù)設(shè)定各項(xiàng)合理的過濾參數(shù)刪除大部分的假信號，極大的減少了多波束內(nèi)業(yè)處理工作量，提高了工作效率。

5.探測技術(shù)的綜合應(yīng)用

（1）精良的測量裝備。項(xiàng)目實(shí)施同時使用五艘測量船舶進(jìn)行作業(yè)，主要采用了Edgetech 4200FS、Klein Hydroscan側(cè)掃聲納系統(tǒng)、Reson7101、R2sonic2024多波束測深系統(tǒng)等掃海設(shè)備；多波束數(shù)據(jù)采集使用Qinsy采集軟件；數(shù)據(jù)處理及制圖軟件采用Caris Hips和CASS8.0等；三維可視化展示分析使用Caris和Fledermaus等軟件。

（2）嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的測量方法。本次應(yīng)急掃測采用的多手段綜合探測方法也代表了目前國內(nèi)先進(jìn)的水下地形、地貌及礙航物探測水平。

首先初步摸清測區(qū)內(nèi)水下地貌概況，對可疑礙航物進(jìn)行標(biāo)示，然后使用多波束測深系統(tǒng)對測區(qū)進(jìn)行精細(xì)掃測，對可疑礙航物進(jìn)行加密掃測；對集裝箱落水區(qū)域使用高頻側(cè)掃聲納進(jìn)行掃海測量，獲取清晰的高頻聲圖。針對特殊障礙物，還同時進(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，進(jìn)一步確定了探測目標(biāo)性質(zhì)和最淺通航水深。

（3）技術(shù)手段的綜合運(yùn)用。①多波束CUBE算法提升處理效率。多波束數(shù)據(jù)后處理時采用的CUBE算法是一種快速格網(wǎng)化的方法，通過在Caris HIPS中創(chuàng)建CUBE曲面，根據(jù)水深點(diǎn)離曲面格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的距離和TPE（總傳播誤差）不確定值計(jì)算出水深點(diǎn)的權(quán)重和貢獻(xiàn)，最后通過加權(quán)平均，求出節(jié)點(diǎn)的水深估計(jì)，同時也計(jì)算出相應(yīng)水深估計(jì)的水深點(diǎn)個數(shù)、強(qiáng)度和不確定性，從而通過建立這種快速濾波獲取水深數(shù)據(jù)，可以顯著提高多波束數(shù)據(jù)的處理效率。

②多波束數(shù)據(jù)和側(cè)掃聲納圖像的融合分析。為了提高對水下沉船和集裝箱等礙航物的快速判讀能力，本次應(yīng)急掃測綜合使用了單波束、多波束和側(cè)掃聲納等多種探測手段，并將所有獲取到得數(shù)據(jù)放入Hypack中進(jìn)行配準(zhǔn)、融合，水深數(shù)據(jù)和側(cè)掃聲圖數(shù)據(jù)相互印證，從而快速判明水下可疑目標(biāo)信息，建立了一種快速分析水下礙航物的工藝模式。

③二三維一體化呈現(xiàn)掃海成果。使用Caris來處理各種水下地形數(shù)據(jù)，并將通過Triton預(yù)處理完成的側(cè)掃聲納圖像和水深數(shù)據(jù)一并導(dǎo)入到Fledermaus中，建立水下三維可視化場景，從而更加清晰的呈現(xiàn)沉船和集裝箱的水下形態(tài)，并形成人機(jī)交互便于查詢水下礙航物的各種參數(shù)信息。

6.項(xiàng)目特點(diǎn)

（1）項(xiàng)目急。強(qiáng)臺風(fēng)“彩虹”給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重?fù)p失，湛江港數(shù)十艘船舶損壞、沉沒或擱淺，并有大量集裝箱和碼頭吊機(jī)等重型裝備掉落入海，湛江港碼頭生產(chǎn)全面停止，航道全方位封鎖，嚴(yán)重影響湛江市的救災(zāi)復(fù)產(chǎn)工作和居民的生產(chǎn)生活。急需查明水下障礙物的分布情況，迅速恢復(fù)航路通航和碼頭生產(chǎn)，面對沿岸港口的復(fù)產(chǎn)壓力和搶險(xiǎn)救災(zāi)的社會壓力，形勢萬分緊急。

（2）任務(wù)重。大西南和華南地區(qū)貨物出海主通道的湛江港航道全部停航，從內(nèi)航道到龍騰航道的70km航路全面陷入癱瘓，受災(zāi)面積巨大，社會關(guān)注度極高，掃測任務(wù)需要覆蓋湛江港所有的港池、航道、錨地等40處重要通航水域。

（3）測區(qū)險(xiǎn)。湛江港航道、港池和錨地等重要的通航水域存有大量的沉船、集裝箱、魚排網(wǎng)箱、沉物等礙航物，水下地形、地貌和礙航物情況不明，一時間難以調(diào)查統(tǒng)計(jì)，基本全部處于未知狀態(tài)，復(fù)雜的測區(qū)環(huán)境給測量組織實(shí)施帶來難以想象的困難，且風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)極高。

（4）施測難。強(qiáng)臺風(fēng)登陸后，造成水電供應(yīng)的癱瘓，湛江港封航和碼頭生產(chǎn)停止，面臨巨大的社會壓力和通航壓力，需要盡快恢復(fù)航道通航和碼頭生產(chǎn)，災(zāi)后航道及港池等通航水域掃海測量的技術(shù)要求和精度要求極高，特別是在極度壓縮的測量工期、超級繁重的任務(wù)強(qiáng)度和復(fù)雜多變的測區(qū)環(huán)境條件下，更是提升了施測難度等級，對現(xiàn)場組織協(xié)調(diào)工作的巨大挑戰(zhàn)。

（5）設(shè)備精。使用的主要設(shè)備有多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲納系統(tǒng)、DGPS、星站差分GPS、單波束測深儀和涌浪濾波器等，使用先進(jìn)的測繪設(shè)備，采用多種技術(shù)手段，綜合應(yīng)用，制作成果產(chǎn)品豐富。測量方法及成果代表了國內(nèi)外先進(jìn)的水下地形探測水平。

（6）效率高。以“統(tǒng)一指揮、分工協(xié)作、高效精干”為原則，建立了完善的現(xiàn)場指揮管理體系和安全生產(chǎn)保障措施，確定科學(xué)合理的掃測方案，通過資源調(diào)配、分工協(xié)作、科學(xué)組織、合理實(shí)施、精細(xì)測量，在36個小時內(nèi)完成湛江港主要通航水域的全覆蓋掃測，初步查明主航道內(nèi)的水下礙航物狀況，主航道具備-18米的通航能力，湛江港恢復(fù)通航。使用3天時間將精確的通航尺度數(shù)據(jù)提交災(zāi)后決策，相關(guān)水域相繼恢復(fù)使用，湛江港生產(chǎn)基本恢復(fù)。

（7）成果多樣。為滿足災(zāi)后港區(qū)內(nèi)沿岸各單位、公司的不同需求，在不同階段和不同水域制作了水深數(shù)據(jù)成果圖、航道港池三維立體圖、礙航物分布圖、水下物體3D圖、航道港池回淤分布圖、回淤量分析圖和側(cè)掃聲納掃海獲得的海底表面圖等。

7.結(jié)束語

本次應(yīng)急掃測水域達(dá)203平方公里，搜尋到落水集裝箱59處、沉船3個，制作水深圖52幅。在時間緊、任務(wù)重、要求高的緊急情況下，投入大量人力、物理和設(shè)備，迅速探明湛江港水下地形地貌第一手資料，項(xiàng)目成果數(shù)據(jù)齊全、現(xiàn)勢性強(qiáng)、質(zhì)量優(yōu)良，為海事測繪應(yīng)急掃測工作的組織實(shí)施積累了豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。保障了轄區(qū)通航水域航行安全，成為解決水上公共安全危機(jī)的一項(xiàng)重要服務(wù)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

項(xiàng)目提供的實(shí)時航行保障數(shù)據(jù)，為管理部門應(yīng)急指揮快速決策和災(zāi)后航運(yùn)恢復(fù)提供了支持，同時為災(zāi)后應(yīng)急預(yù)案制定、現(xiàn)場管理和海事安全監(jiān)管提供了有力的技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，項(xiàng)目成果作為主要的決策依據(jù)為快速恢復(fù)湛江港通航奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，避免了持續(xù)封航對港口經(jīng)濟(jì)帶來的進(jìn)一步影響，保證了湛江正常的社會秩序及社會發(fā)展。

目前，側(cè)掃聲納和多波束測深系統(tǒng)等掃海測量手段普遍應(yīng)用于海上應(yīng)急掃測工作中，并取得顯著的成效，今后，需要不斷提升項(xiàng)目的組織管理能力，密切跟蹤國內(nèi)外水下探測技術(shù)，制定科學(xué)有效的實(shí)施方案，發(fā)揮多種掃測設(shè)備和技術(shù)手段的綜合效能，提升航海保障工作水平。