徐國強(qiáng)，杜 軍，王勇智，李 平，于曉曉

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

側(cè)掃聲納技術(shù)在水下界址線測量中的應(yīng)用

徐國強(qiáng)，杜 軍，王勇智，李 平，于曉曉

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

目前，沿海經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勢發(fā)展導(dǎo)致用地矛盾不斷凸顯，各地不斷提出向海要地的要求。為防止擅自擴(kuò)大圍填海范圍的現(xiàn)象，水下界址線的精確測量成為其基礎(chǔ)工作。側(cè)掃聲納技術(shù)作為海底地形地貌的重要探測手段，本身精度滿足水下界址線測量要求，同時(shí)可以提高探測效率。以廣西防城港核電建設(shè)中填海界址和面積動態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目為例，論證了側(cè)掃聲納系統(tǒng)在水下界址線測量中的可行性。同時(shí)指出，精確定位是進(jìn)行圍填海界址調(diào)查的關(guān)鍵技術(shù)。

側(cè)掃聲納；水下界址；測繪

21世紀(jì)以來，我國各沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展迅猛，工業(yè)化、城市化和人口聚集的趨勢進(jìn)一步加快。隨之而來的是土地資源性短缺和土地結(jié)構(gòu)性短缺的進(jìn)一步加劇，沿海經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勢發(fā)展導(dǎo)致用地矛盾不斷突顯，各地不斷提出向海要地的要求[1-3]。

填海造地是指筑堤圍割海域填成土地，并形成有效岸線的用海方式。圍海指通過筑堤或其他手段，以全部或部分閉合形式圍割海域進(jìn)行海洋開發(fā)活動的用海方式。依據(jù)《海籍調(diào)查規(guī)范》（HY/T124-2009）中的用海范圍界定方法，填海造地用海“岸邊以填海造地前的海岸線為界，水中以圍堰、堤壩基床或回填物傾埋水下的外緣線為界”；圍海用?！鞍哆呉試Ｇ暗暮０毒€為界，水中以圍堰、堤壩基床外側(cè)的水下邊緣線及口門連線為界”。

目前，擅自擴(kuò)大圍填海范圍的現(xiàn)象屢屢出現(xiàn)，堤壩基床外緣線的精確測量是海洋執(zhí)法部門面臨的主要難題之一。國家海洋局也不斷加大監(jiān)管力度，嚴(yán)格控制填海、圍海和可能對海洋環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害的開發(fā)利用活動?；诖?，本文提出采用側(cè)掃聲納掃海技術(shù)來界定用海邊界，為執(zhí)法部門用海管理提供技術(shù)支撐。

1 側(cè)掃聲納確定堤壩基床外緣線的原理

側(cè)掃聲納是主動聲納的一種，以二維平面圖像形態(tài)測繪水下微地貌特征的儀器[4]，主要由拖魚（換能器）、電纜和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)組成[5]。換能器向海底方向發(fā)射高頻狹窄波束，聲波碰到水中或海底不同的物體反射回來，根據(jù)回波信號強(qiáng)弱的不同，就能夠得到灰度不同的海底地貌圖譜。

圍填的堤壩由于底質(zhì)（主要為拋石）與正常海底底質(zhì)不同，而且存在一定坡度，在側(cè)掃聲納圖譜上會呈現(xiàn)出強(qiáng)反射的特征，通過后處理及解譯可以得到坡腳的位置，從而滿足《海籍調(diào)查規(guī)范》中填海水下界址線為堤壩基床外緣線的要求。圖1描述了一個側(cè)掃聲納在未做校準(zhǔn)模式時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中A線是觸發(fā)脈沖；B線是第一海面回波，代表聲納至海面的距離；C線是第一海底返回波，代表聲納至海底的距離；D是水柱，代表聲納至海底的水體部分；E是堤壩外緣反射線；F是陰影區(qū)，沒有回波信號；G是25 m的距離標(biāo)注；H是信號振幅的顯示。圖2代表了工作環(huán)境的垂直交叉部分，真實(shí)的記錄就像一架從上面飛過的水平飛機(jī)上看到的海底，各字母代表的含義對應(yīng)圖1的示意圖。（注：本文中資料取自EdgeTech側(cè)掃聲納）

圖1 側(cè)掃聲納在堤壩基床測量中工作原理示意圖

圖2 側(cè)掃聲納工作原理垂向示意圖

2 側(cè)掃聲納在水下界址線測量中的影響因素及解決方法

本文所涉及的水下地貌測量采用美國EdgeTech公司生產(chǎn)的4200-FS型側(cè)掃聲納，可100/400 kHz雙頻同時(shí)工作。當(dāng)采用400 kHz高頻、100 m量程工作時(shí)，其垂向分辨率可達(dá)2 cm，縱向分辨率達(dá)0.6 m，量程為50 m或25 m時(shí)其精度更高。《海域使用面積測量規(guī)范》（HY 070-2003）中4.4節(jié)測量誤差規(guī)定“所測海域離岸20 km以內(nèi)，測量誤差優(yōu)于±1 m”，設(shè)備性能本身滿足測量要求。

實(shí)際測量中影響側(cè)掃聲納精度的因素有很多：風(fēng)、海流對拖體姿態(tài)的影響[6]、水體聲速造成的誤差、拖繩的彈性誤差等[7]都會造成目標(biāo)物位置精度的影響。針對以上影響因素，為控制界址測量精度，實(shí)際測量中作出如下修正：

（1）測線設(shè)計(jì)與測量方式。測線布設(shè)平行海流方向；選擇三級海況以下、平潮期作業(yè)；測量方式上采用同一測線往復(fù)式測量。

（2）聲速誤差修正。作業(yè)期間，測量前、測量中和測量結(jié)束后進(jìn)行三次現(xiàn)場聲速剖面測量，通過聲速校正減小該項(xiàng)系統(tǒng)誤差。

（3）拖魚位置修正。拖曳式作業(yè)中，實(shí)時(shí)記錄拖纜長度與角度，采用系統(tǒng)LAYBACK進(jìn)行修正；亦可采用超短基線定位，實(shí)時(shí)計(jì)算拖體的大地坐標(biāo)[8]。

（4）影像變形修正。后處理過程中，采用系統(tǒng)自帶的速度校正、斜距校正等功能來進(jìn)行影像變形方面的修正。

（5）RTK比對測量。低潮時(shí)，采用RTK沿重疊區(qū)進(jìn)行重復(fù)測量，并依此為基準(zhǔn)改正聲納測量參數(shù)設(shè)置。

3 聲納在水下界址線測量中的實(shí)際應(yīng)用

海洋水工構(gòu)筑物的水面以下部分用海面積較多且難以界定。為檢驗(yàn)實(shí)際用海面積與申請用海面積之間的差異，防止填海項(xiàng)目的超限或違規(guī)使用，本文借助側(cè)掃聲納掃海獲得高精度海底聲學(xué)圖像，來識別與界定人工堤壩基床外緣線，精確界定水下界址。以廣西防城港核電建設(shè)中填海界址和面積動態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目為例（堤壩測量示意圖見圖3），該項(xiàng)目主要是隨著核電站取排水工程建設(shè)的進(jìn)度，跟蹤監(jiān)測工程水下界址外邊界，為海域管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 堤壩測量示意圖

截至2015年1月，廣西防城港核電項(xiàng)目排水口東、西導(dǎo)流堤施工建設(shè)長度為5 km（NW-SE向），南、北防波堤施工建設(shè)長度為1.8 km（NE-SW向），堤壩兩側(cè)進(jìn)行堤壩護(hù)坡施工，護(hù)坡材料以拋石為主。本文所探討的海域界址即為拋石區(qū)與海底面交界線。水下需測量界址線長度約為27.2 km。

測線布設(shè)上，采用平行堤壩走向方向往復(fù)布設(shè)，低潮時(shí)界址出露區(qū)域布設(shè)RTK實(shí)地探測點(diǎn)，并作為后期側(cè)掃聲納探測參數(shù)改正的基準(zhǔn)。

導(dǎo)航定位采用RTK定位系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場所獲側(cè)掃聲納調(diào)查資料，分析解譯海底存在的障礙物位置范圍，以及坡折線的位置走向，結(jié)合水深測量的成果，來識別人工堤壩基床外緣線。

由于拖魚水下姿態(tài)的不確定（ROLL，PITCH，HEADING）、測量船的速度偏差、拖魚高度導(dǎo)致的量程數(shù)據(jù)壓縮等因素側(cè)掃聲納影像會產(chǎn)生一定的變形?，F(xiàn)場測量時(shí)根據(jù)文中第2節(jié)相關(guān)方法進(jìn)行修正。后期解譯中亦可應(yīng)用解譯軟件自帶的輔助工具進(jìn)行變形校正。

本項(xiàng)目采用Triton后處理系統(tǒng)軟件，采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行屏幕數(shù)字化，并結(jié)合水深地形測量結(jié)果分析，圈定堤壩與海底之間轉(zhuǎn)折線位置。Triton Isis數(shù)據(jù)解譯中參數(shù)訂正以及相關(guān)處理流程詳述如下。

3.1 斜距校正

側(cè)掃聲納圖像上最早返回?fù)Q能器的信號是近似垂直的，而來自遠(yuǎn)距離的信號則接近水平，兩者之間的每一個數(shù)據(jù)點(diǎn)是橫向的，存在距離和畸變，因此需要進(jìn)行斜距校正。首先對側(cè)掃聲納資料進(jìn)行自動海底追蹤，采用Amplitude模式，調(diào)節(jié)Level和Holdoff參數(shù)，使海底追蹤線與實(shí)際海底吻合；部分海底起伏較大，自動追蹤效果不好，需要人工干預(yù)（P＆C模式）調(diào)節(jié)至合理海底。利用Triton Isis自帶的斜距校正功能進(jìn)行修正，圖4為斜距校正前聲納圖像，圖5為斜距校正后聲納圖像。

圖4 Triton Isis解譯軟件斜距校正前聲納圖像

圖5 斜距校正后聲納圖像

3.2 導(dǎo)航平滑

一般而言，對于通過拖曳式得到的聲納數(shù)據(jù)，為了得到連貫一致的圖像需要進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)的平滑。解譯中將航速低于1 kn及航速高于10 kn的明顯跳點(diǎn)處理掉，平滑處理算法可以誘導(dǎo)錯誤，因此為避免圖像失真,最好的選擇是設(shè)置平滑的點(diǎn)數(shù)量為1，平滑對比見圖6。

圖6 導(dǎo)航平滑前后對比圖

3.3 圖像鑲嵌

側(cè)掃聲納本身在精度與覆蓋范圍間存在著矛盾，為解決上述矛盾并同時(shí)提供大范圍的高精度圖像，電子鑲嵌（mosaic）應(yīng)運(yùn)而生，這需要使用一系列的相鄰測線，并將每個記錄與下一個相匹配以產(chǎn)生測量區(qū)域的高分辨率大尺寸圖像。本次探測識別目標(biāo)物較為單一（水下堤壩外緣線），解譯時(shí)將堤壩同側(cè)往復(fù)兩個方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌對比。圖7為南西航向側(cè)掃聲納圖譜。

圖7 堤壩基床外緣線聲納圖

3.4 界址繪制

本次根據(jù)側(cè)掃聲納圖像確定堤壩基床外緣線的過程中，主要干擾項(xiàng)為堤壩護(hù)坡（圖8）。護(hù)坡在聲納圖像上與基床外緣一樣表現(xiàn)為強(qiáng)反射特征，但兩者存在差異。

圖8 低潮時(shí)可出露堤壩基床現(xiàn)場拍攝圖

堤壩基床外緣線是有大量單個拋石構(gòu)成，在圖像上會呈現(xiàn)一定的零散性。堤壩護(hù)坡則具有一定的連續(xù)性，見圖9。

圖9 堤壩基床外緣識別示意圖

3.5 界址比對

本文作業(yè)采用RTK配合超短基線定位，定位精度達(dá)厘米級。水體聲速誤差，每次測量前、測量中和測量結(jié)束后進(jìn)行三次現(xiàn)場聲速剖面測量，通過聲速校正較小該項(xiàng)系統(tǒng)誤差。堤壩周邊水深在5 m以淺，聲速誤差在±1 cm。速度校正、斜距校正采用Triton后處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行。通過以上方法減少測量誤差，最后根據(jù)側(cè)掃聲納圖像解譯結(jié)果，同時(shí)參考水深地形，對比人工RTK測量數(shù)據(jù)，繪制堤壩界址線，進(jìn)而確定填海和構(gòu)筑物的海域邊界和面積。

圖10為測區(qū)內(nèi)部分低潮時(shí)可露出水面的部分測量結(jié)果對比圖，其中低潮時(shí)采用人工RTK測量堤壩基床外緣線（測點(diǎn)間距15 m），高潮時(shí)采用側(cè)掃聲納測量。

各個測點(diǎn)之間的位置誤差見表1。

圖10 低潮出露部分RTK測量與側(cè)掃聲納測量對比圖

表1 RTK測量與側(cè)掃聲納測量位置誤差對比

由表1對比可知，RTK測量與側(cè)掃聲納測量的位置誤差在±0.5 m以內(nèi)。本文共進(jìn)行RTK對比測量3.08 km，占界址線長度11.3%，比對點(diǎn)共計(jì)206個，位置誤差在±0.5 m以內(nèi)的有183個，誤差在±0.5 m至±0.8 m之間的有23個，測量誤差均滿足《海域使用面積測量規(guī)范》（HY 070-2003）要求。

利用這種方法，可以在某些由于環(huán)境惡劣或限制導(dǎo)致人員無法到達(dá)的地方進(jìn)行水下界址線的測量，同時(shí)可以連續(xù)測量，提高了工作效率。

4 結(jié)論

本文以廣西防城港核電建設(shè)中填海界址和面積動態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目為例，論證了側(cè)掃聲納系統(tǒng)在水下界址線測量中的可行性，并得出如下結(jié)論。

（1）通過科學(xué)合理的測線設(shè)計(jì)、定位校正和后處理校正以及實(shí)地驗(yàn)證等手段，表明側(cè)掃聲納技術(shù)可以應(yīng)用于海工構(gòu)筑物水下界址測量并提供符合精度需求的界址測量數(shù)據(jù)。經(jīng)與RTK實(shí)地測量比對，誤差在±0.8 m以內(nèi)，滿足《海域使用面積測量規(guī)范》（HY 070-2003）要求。

（2）應(yīng)用側(cè)掃聲納探測技術(shù)進(jìn)行水下界址測量工作中，聲納傳感器（拖魚）的精確定位是關(guān)鍵。本次調(diào)查主要采用了RTK實(shí)地驗(yàn)證，后續(xù)工作中亦可采用超短基線水下定位方式以提高定位精度和作業(yè)效率。

[1]劉文勇,錢立兵,江林.填海項(xiàng)目竣工海域使用驗(yàn)收現(xiàn)狀及管理對策研究[J].海洋開發(fā)與管理,2015,32(4):39-41.

[2]劉偉,劉百橋.我國圍填?，F(xiàn)狀、問題及調(diào)控對策[J].廣州環(huán)境科學(xué),2008(02):26-30.

[3]湯民強(qiáng),劉文勇,魏巍.填海項(xiàng)目竣工海域使用驗(yàn)收測量的技術(shù)方法[J].海洋技術(shù),2009,28(2):80-83.

[4]胡毅,陳堅(jiān),蔡鋒,等.Klein3000型側(cè)掃聲納在海洋工程調(diào)查中的應(yīng)用[J].海岸工程,2006(01):84-92.

[5]王志光,孫新軒,劉強(qiáng),等.側(cè)掃聲納系統(tǒng)在海底障礙物掃測中的應(yīng)用[J].海洋測繪,2012(06):48-50.

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[7]王久,周健.側(cè)掃聲納和多波束系統(tǒng)在失事沉船掃測中的綜合應(yīng)用[J].中國水運(yùn)(下半月刊),2010(08):35-37.

[8]高俊國,李增林,杜軍.側(cè)掃聲納系統(tǒng)成圖中的位移、變形和噪聲問題[J].海岸工程,2003(02):44-50.

The Application of Side-Scan Sonar for Detecting Submarine Parcel Boundaries

XU Guo-qiang,DU Jun,WANG Yong-zhi,LI Ping,YU Xiao-xiao
First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,Shandong Province,China

As the economy grows rapidly along the coast,increasing areas of seabed are demanded,and thus there is bound to give rise to conflict related to land requirement.In order to restrict the range of reclamation from being expanded without any authorities,detecting underwater parcel boundaries is needed to be conducted precisely and will serve as a foundation.As an important means for submarine topography measurement,the side-scan sonar not only meets the accuracy requirements,but also can enhance the efficiency of detection. Taking the Fangcheng Harbor of Guangxi Autonomous Region as example,the seafloor is mapped and the reclamation area is monitored in a dynamic way,while infrastructure is constructed for nuclear power generation. In this project,the side-scan system is proved to be practicable to detect the submarine parcel boundaries.In addition,it is pointed out that accurate location is a key technology for surveying the parcel boundaries of sea reclamation.

side-scan sonar;submarine parcel boundaries;surveying and mapping

P753;TB56

A

1003-2029（2017）03-0018-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.004

2016-09-22

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2015G14）

徐國強(qiáng)（1987-），男，助理工程師，主要從事海洋工程地質(zhì)與聲學(xué)探測應(yīng)用方面研究。E-mail：xuguo@fio.org.cn