朱毅斌

（福建省水產(chǎn)設(shè)計(jì)院，福州 350000）

1 引言

多波束海洋測(cè)繪技術(shù)是一種新型測(cè)繪技術(shù)，能夠?qū)５走M(jìn)行高精度的測(cè)量。在傳統(tǒng)的海洋測(cè)繪工作中，通常使用單波束探測(cè)儀作為測(cè)量?jī)x器，但是其在使用過(guò)程中需要面臨2個(gè)方面的問(wèn)題：（1）在使用窄波束技術(shù)時(shí)，需要通過(guò)加大換能器將波束變窄，因此，會(huì)增加測(cè)繪工作的成本；（2）加密測(cè)線，也會(huì)增加測(cè)繪成本。而多波束海洋測(cè)繪技術(shù)可以進(jìn)行多信道的定向接受以及廣角度的發(fā)射，不需要使用換能器就可以更準(zhǔn)確、更廣泛地獲取海底的相關(guān)數(shù)據(jù)，全面提高海洋測(cè)繪技術(shù)的精確度。

2 多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)的相關(guān)概述

2.1 多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)的構(gòu)成

本次水下探測(cè)工程使用 SeaBat7125多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)，這也是目前精度最高、最先進(jìn)的一種多波束海洋測(cè)繪探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)傳感器、圖像處理系統(tǒng)、QTC Multiview 低質(zhì)分類系統(tǒng)、ICTANS 光纖羅經(jīng)以及多波束數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)組成，其具體工作原理如圖1所示。

圖1 SeaBat7125多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)工作原理

2.2 多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)的特點(diǎn)

以 SeaBat7125多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)作為例子，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)以下方面：SeaBat7125多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)波束的連續(xù)接收與連續(xù)發(fā)射，有效提高了測(cè)繪的覆蓋范圍，具體來(lái)說(shuō)，其可以對(duì)水下地形進(jìn)行全部覆蓋。與單波束測(cè)繪不同，多波束能夠整體從面上做出反應(yīng)，在這種情況下，得到的測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確、真實(shí)。而單波束測(cè)繪系統(tǒng)在只能將斷面中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，而后通過(guò)插補(bǔ)的方式形成等值線，在這種情況下就會(huì)降低測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性。另一方面，利用系統(tǒng)中包括的發(fā)射換能器，可以向水底投射 128°的扇形覆蓋區(qū)[1]，在這種情況下，接收器可以同時(shí)生成256個(gè)動(dòng)態(tài)聚焦波束，此時(shí)分辨率達(dá)到 5mm，完成波束后，將檢測(cè)到的距河床底距離與散射強(qiáng)度的圖像直接顯示于聲吶監(jiān)視器中，這樣也可以為質(zhì)量檢查工作提供方便。

3 多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的水下監(jiān)測(cè)工作中，基本上都是采用單波束測(cè)繪系統(tǒng)進(jìn)行水下測(cè)量，單波束測(cè)繪系統(tǒng)屬于一種線狀測(cè)繪方式，能夠?qū)⑺碌恼鎸?shí)情況反映出來(lái)，但是這種測(cè)繪方法不僅難度較大，且精確度比較低，無(wú)法滿足一些復(fù)雜地形或大比例尺水下測(cè)繪工作的要求。采用多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)則能夠有效提高測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性，具體來(lái)說(shuō)，多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)具有高分辨率、快速測(cè)量、全面覆蓋、精確度高等多種優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)λ碌匦伟l(fā)生的細(xì)微變化進(jìn)行全面監(jiān)視，從而更加高效地完成測(cè)繪工作。

4 多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

傳統(tǒng)海洋測(cè)繪中的數(shù)據(jù)處理方法，主要是通過(guò)構(gòu)建 Grid規(guī)則格網(wǎng)或者 Delauny 三角網(wǎng)形成水下的 DTM （數(shù)字地面模型），而后利用四叉樹(shù)索、分塊處理實(shí)現(xiàn)多尺度 LOD（Levele of Data，多細(xì)節(jié)層次）的現(xiàn)實(shí)效果，呈現(xiàn)水下地形。但是，在如今的海洋測(cè)繪工作中，對(duì)測(cè)繪結(jié)果準(zhǔn)確性的要求也越來(lái)越高，加之水下地形數(shù)據(jù)具有海量性、多樣性以及復(fù)雜性等特點(diǎn)，同時(shí)，應(yīng)采用離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合，對(duì)所采集的多波束水下地形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得足夠的水深值，而后完成數(shù)據(jù)插值，以此確保結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。除此之外，計(jì)算擬合曲面差后，可以得到水下砂石資源的變化情況。

現(xiàn)如今，由于圖形學(xué)科與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)學(xué)者或科學(xué)研究人員對(duì)離散數(shù)據(jù)的曲面重建技術(shù)進(jìn)行了更加深入的研究與分析，具體來(lái)說(shuō)，插值或離散數(shù)據(jù)擬合是使用一系列無(wú)規(guī)則或者是一個(gè)光滑曲面的抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行逼近的。

5 運(yùn)用多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)的相關(guān)注意事項(xiàng)

多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)不僅應(yīng)用靈活，而且還具有計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、精確度較高、所占內(nèi)存較小等優(yōu)勢(shì)。利用算法選擇離散分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，需要對(duì)2個(gè)方面的因素進(jìn)行重點(diǎn)考慮：一方面是范圍，具體指的是利用大面積范圍內(nèi)具有的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)被插點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；另一方面是點(diǎn)數(shù)，是指應(yīng)選擇多少個(gè)點(diǎn)參加被插補(bǔ)點(diǎn)的計(jì)算。在應(yīng)用這2個(gè)因素時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行合理選擇。確定范圍時(shí)，應(yīng)將某一個(gè)被插值的點(diǎn)作為圓心，而后確定半徑，進(jìn)而確定整個(gè)范圍、原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的疏密性、半徑?jīng)Q定的疏密程度以及原始數(shù)據(jù)點(diǎn)均會(huì)對(duì)具體的范圍造成影響。因?yàn)槊恳粋€(gè)原始點(diǎn)的分布不夠均勻，所以，為了可以更加準(zhǔn)確地求解二次曲面方程，必須保證擁有的點(diǎn)的數(shù)據(jù)充足，但不能太多，確保其適中性，在這種情況下，圓形范圍的半徑也是不固定的[2]。所以，在確定圓的半徑時(shí)，可以使用逐步變動(dòng)的方法。

將被測(cè)繪的水下地形表面中具有的離散化的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其能夠成為規(guī)則化的網(wǎng)格分布的連續(xù)函數(shù)，具體轉(zhuǎn)化過(guò)程中，可以使用規(guī)則圓方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將所取的規(guī)格化節(jié)點(diǎn)臨域范圍內(nèi)的掃測(cè)值進(jìn)行擬合計(jì)算。選擇一個(gè)新的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)在其周圍選擇多個(gè)鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將最初選擇的新坐標(biāo)點(diǎn)作為原點(diǎn)，而后再使用多項(xiàng)式曲面擬合，利用多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)求得多項(xiàng)式中含有的各項(xiàng)參數(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)對(duì)水庫(kù)、堤防、海洋以及湖泊等水域進(jìn)行水下地形的測(cè)量，可以為檢測(cè)水下工程建筑物、水下工程的安全性提供數(shù)據(jù)支持，如水下管線、電纜的監(jiān)測(cè)；河道橋梁、碼頭、港口以及疏浚等工程的測(cè)量；水下物體、沉船的搜尋等，都可以采用多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，從而有效提高測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性，這也說(shuō)明多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)具有非常良好的應(yīng)用前景，因此，應(yīng)對(duì)多波束海洋測(cè)繪系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的研究。