劉 亮，劉時橋，李興銳，郭 軍

(1.中國地質調查局?？诤Ｑ蟮刭|調查中心，海南 ?？?570000；2. 中國地質調查局廣州海洋地質調查局，廣東 廣州 510000)

海底地形資料是現(xiàn)代海洋環(huán)境的重要組成部分，不論是在民用航海還是軍事戰(zhàn)爭用途中，高精度的海底地形資料都能夠發(fā)揮很重要的作用。目前的高精度海底地形資料主要由船舶搭載多波束測深系統(tǒng)實測采集，而后經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，進而得到精度高、覆蓋全的海底地形數(shù)據(jù)，從而得到可靠的海底地形的真實特征。

目前，高精度的多波束測深系統(tǒng)標稱測量精度已經(jīng)達到厘米級，因而影響數(shù)據(jù)資料質量的決定因素已經(jīng)從硬件設備本身，轉移到了系統(tǒng)參數(shù)設定、作業(yè)區(qū)實際環(huán)境影響、作業(yè)過程規(guī)范程度、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理精度等方面上來[1-2]。目前我國適用的《海洋多波束水深測量規(guī)范(DZ/T 0292-2016)》針對多波束數(shù)據(jù)采集質量標準的規(guī)定，只是對分段水深的界限進行規(guī)定，最終采集數(shù)據(jù)資料是否符合要求，主要是通過“井字形”測線求取交點水深的符合精度來判斷。如何保證采集數(shù)據(jù)的精度及可靠性，是必須解決的問題。本文結合南海某海域采集多波束測深數(shù)據(jù)處理流程，對數(shù)據(jù)處理過程中不同模型潮汐影響進行分析，并對數(shù)據(jù)精度進行評價，進而得到最終的較為真實的海底地形圖。

1 多波束水深處理

1.1 數(shù)據(jù)處理流程

軟件現(xiàn)在采用處理多波束數(shù)據(jù)精度較好的CARIS HIPS and SIPS V8.1。CARIS HIPS是加拿大CARIS公司針對多波束測深數(shù)據(jù)處理的一個軟件包，特別是對海域多波束測深數(shù)據(jù)，處理效率和數(shù)據(jù)精度都非常高，并且能夠支持和處理現(xiàn)在所有主流的多波束測量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)[3]。正是由于它的適用性、專業(yè)性，使它成為海洋測繪多波束數(shù)據(jù)處理領域主流處理軟件。數(shù)據(jù)從原始數(shù)據(jù)到最終成果，處理流程如圖1所示[4]。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

1.2 參數(shù)校正

采集的多波束數(shù)據(jù)為面狀點云數(shù)據(jù)集合，由于安裝誤差、環(huán)境影響等客觀原因的存在，多波束的換能器安裝不可能完全水平，從而導致?lián)Q能器與水平面存在夾角[5]。其中換能器與船舶水平面縱向的夾角稱為縱搖偏差(Pitch),換能器與船舶水平面垂直方向的夾角稱為橫搖偏差(Roll)，設備安裝的指向與船舶方向夾角稱為艏向偏差(Yaw)[6-7]。

在前往南海某海域工作區(qū)正式作業(yè)開始前，在設備固定安裝后，對作業(yè)船只的縱搖偏差、橫搖偏差、艏向偏差等進行了參數(shù)測試，測得參數(shù)已經(jīng)輸入系統(tǒng)并對原始數(shù)據(jù)進行校準，具體參數(shù)如下：

Pitch offset=-0.66

Roll offset=0.03

Yaw offset=-0.71

因作業(yè)使用的多波束系統(tǒng)為挪威Kongsberg公司的EM710s，系統(tǒng)采用的時間采取了1PPS信號和外部ZDA數(shù)據(jù)進行定位時間同步，所以定位延時校正值為0，不做考慮。

在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中，發(fā)現(xiàn)重復測線所測量的海底地形依舊存在輕微偏差，因此在測區(qū)內(nèi)選取適合的航線，提取參數(shù)偏差用于資料處理改正。經(jīng)檢查確認，船舶航次1～64號測線質量較好，不需要進行參數(shù)校正，65～230號測線存在明顯的參數(shù)偏差，必須進行參數(shù)校正，所使用的參數(shù)如下：

Pitch offset=1.02

Roll offset=-0.04

Yaw offset=0.00

經(jīng)檢查，參數(shù)改正后地形質量整體有提升，參數(shù)改正前后對比如圖2所示。

圖2 部分測線參數(shù)改正前后效果對比

1.3 聲速改正

水底聲速受水體運動影響較大[8]，而且不同的聲速層級會嚴重影響測量波束的路徑。聲速改正不好，會對邊緣波束產(chǎn)生較大影響[9]，測線剖面也會產(chǎn)生規(guī)律性“哭臉”或“笑臉”形狀，該現(xiàn)象可通過人工調整折射系數(shù)糾正[10]。經(jīng)檢查，測區(qū)東部深水區(qū)域存在較為嚴重的聲速校正誤差，表現(xiàn)為規(guī)律性“笑臉”形狀。根據(jù)實際情況進行折射系數(shù)調整，調整前后對比如圖3所示。

圖3 聲速折射校正前后對比

1.4 潮汐改正

潮汐數(shù)據(jù)對多波束測量的影響較為明顯，尤其是在淺水區(qū)域更為明顯[11]。根據(jù)《中華人民共和國地質礦產(chǎn)行業(yè)標準DZ/T 0292-2016海洋多波束水深測量規(guī)程》要求，水深小于200 m的測深資料必須進行潮汐改正[12]。本次工作區(qū)的水深資料絕大部分均小于200 m。為了便于處理，本次處理對全部多波束資料均進行潮汐改正。潮汐改正數(shù)據(jù)由兩種方式獲得，傳統(tǒng)改正模式采取投放驗潮站采集實測數(shù)據(jù)后經(jīng)計算獲得，另外可由相關潮汐軟件預報獲得[13]。本次項目在工作區(qū)投放兩個站位驗潮儀，每次數(shù)據(jù)采集時間為10 d，獲得數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)業(yè)計算獲得一組潮汐改正數(shù)據(jù)，另外采取軟件預報方式獲得另一組潮汐改正數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)對比如圖4所示。

圖4 潮汐對比

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，8月10日、12日和16日實測數(shù)據(jù)與預報數(shù)據(jù)差別較大，對這3 d采集測線采用哪組潮汐改正數(shù)據(jù)需具體分析。其他時間實測潮汐數(shù)據(jù)與預報數(shù)據(jù)較為吻合，均采用實測數(shù)據(jù)。

將兩組潮汐改正數(shù)據(jù)分別應用于上述3 d所測測線中發(fā)現(xiàn)，8月10日采集測線使用實測潮汐數(shù)據(jù)邊緣波束拼接比預報潮汐拼接好，故8月10日采集測線采用實測潮汐數(shù)據(jù)改正，兩組數(shù)據(jù)效果對比如圖5所示。

圖5 8月10日數(shù)據(jù)采用實測潮汐與預報潮汐對比

8月12日采集測線共計15條，應用兩組改正數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，采用實測潮汐數(shù)據(jù)的邊緣波束明顯錯開，采用預報潮汐數(shù)據(jù)的邊緣波束拼接較好，故采用預報潮汐數(shù)據(jù)改正，對比效果如圖6所示。同時檢查8月12—13日實測潮汐數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)明顯存在一段時間的異常，如圖7所示，不能正常使用。

圖6 8月12日采集測線實測潮汐與預報潮汐對比

圖7 8月12—13日部分實測潮汐數(shù)據(jù)

8月16日采集測線分別應用兩組改正數(shù)據(jù)后可發(fā)現(xiàn)采用實測數(shù)據(jù)波束拼接較好，采用預報數(shù)據(jù)波束存在明顯錯位，如圖8所示，故采用實測潮汐數(shù)據(jù)。

圖8 8月16日數(shù)據(jù)采用實測潮汐與預報潮汐對比

1.5 測線濾波

因為在作業(yè)過程中，環(huán)境、儀器、人為因素影響的存在，會對采集波束質量產(chǎn)生比較大的影響，尤其是在中淺水環(huán)境中，表現(xiàn)的尤為明顯。多波束處理過程中噪聲編輯就是為了剔除這些影響，盡可能提高數(shù)據(jù)質量。噪聲編輯主要包括定位點編輯、測線濾波、曲面濾波等方式[14]。

測線濾波的處理對象為測線，根據(jù)設定的濾波參數(shù)，CARIS軟件自動逐條測線、逐個條幅地濾除符合規(guī)則的波束點，主要用于刪除邊緣波束以及明顯的波束異常點。由于工作區(qū)水深條件變化較大，限制條幅覆蓋寬度為水深若干倍的方法會導致部分淺灘無法完全覆蓋，故不適用；經(jīng)過檢查，不同測線的邊緣波束拼接情況較好，沒有大的問題，并且不同測線之間重疊的大小不同，如果設定濾去邊緣波束會導致部分相鄰測線之間出現(xiàn)空洞，因此只濾去跳點，不濾邊緣波束。左右相鄰波束的連線斜率角限制在20°以內(nèi)。測線濾波前后的效果對比如圖9所示。

圖9 測線濾波效果

1.6 曲面濾波

曲面濾波是根據(jù)波束點的誤差置信度或者誤差絕對值，過濾掉那些超出設定值的波束點。影響曲面濾波效果的兩個關鍵因素為置信度閾值參數(shù)與曲面的網(wǎng)格間距。對于給定網(wǎng)格間距的曲面，置信度閾值越小，被濾除的波束點就越多，反之則越少[15]。如果構建曲面時的網(wǎng)格間距過小，則許多波束跳點也是曲面的有效貢獻成分，曲面就顯得越粗糙，波束跳點與曲面的距離較近而無法有效濾除，反之如果構建曲面時的網(wǎng)格間距過大，曲面則過于平滑，有效波束與曲面的距離過遠而有可能被錯誤濾除。構建曲面的一個基本原則是：每個網(wǎng)格節(jié)點所包含的波束點數(shù)不能過于稀少(例如10個數(shù)據(jù)點)，如果每個網(wǎng)格節(jié)點的數(shù)據(jù)過于稀少，將無法有效區(qū)別有效數(shù)據(jù)點與無效數(shù)據(jù)點[16]。

由于本項目海底地形復雜以及多波束原始數(shù)據(jù)噪聲豐富，采用單一濾波無法獲得理想的效果。因此本次處理分兩次進行了濾波操作：第1次濾波以較大的網(wǎng)格間距生成水深曲面(網(wǎng)格分辨率為20 m，標準偏差值為2)，然后以較粗的濾波值進行濾波，如圖10所示；第2次以最佳網(wǎng)格間距生成水深曲面后(網(wǎng)格分辨率為5 m，標準偏差值為0.16)，再以最嚴格的濾波參數(shù)進行濾波，如圖11所示。采用這種二次濾波技術，雖然增加了工作量，但也可取得更好的濾波效果，在濾除大量的波束跳點同時，能夠保留海底地形地貌的細節(jié)。

圖10 第一次曲面濾波前后效果

圖11 第二次曲面濾波前后效果

2 精度評價

根據(jù)《中華人民共和國地質礦產(chǎn)行業(yè)標準DZ/T 0292-2016海洋多波束水深測量規(guī)程》《海洋調查規(guī)范GB/T 12763.10-2007第10部分海洋地形地貌調查》的要求，以重復測量點的相對誤差來衡量測量的精確度[17-18]。

本項目處理成果資料的精度評價方法為：根據(jù)不同水深范圍賦予不同的分辨率網(wǎng)格化主測線和聯(lián)絡測線，具體為10～100 m水深采用2 m×2 m分辨率，90～300 m水深采用4 m×4 m分辨率，280～1 500 m水深采用10 m×10 m分辨率。然后對兩個網(wǎng)格化文件執(zhí)行均值與差值運算，結果分別代表重復測量點的真實水深值與測量偏差值，最后根據(jù)式(1)計算測量偏差值是否符合規(guī)范的要求[19-20]。

(1)

根據(jù)上述流程計算得結果如表1所示。

表1 交點不符值統(tǒng)計表

根據(jù)計算結果，采用實測潮汐與預報潮汐相結合的方式處理數(shù)據(jù)，本調查區(qū)絕大部分水深大于30 m，一共有 9 142 664個水深大于30 m的交點，共有99.715 5%的交點不符值相對誤差≤2.0%，另外，還有77 872個水深小于30 m的交點。共有96.006 7%的交點不符值小于規(guī)范要求的0.6 m。

同時，對原始數(shù)據(jù)全部采用實測潮汐方式處理的數(shù)據(jù)，按照上述流程進行精度評價，具體計算結果如表2所示。

表2 交點不符值統(tǒng)計表

根據(jù)處理結果，這些測線的水深數(shù)據(jù)大部分大于30 m，一共有9 135 868個水深大于30 m的交點，經(jīng)統(tǒng)計，共有99.235 3%的交點不符值相對誤差≤2.0%。另外，還有75 982個水深小于30 m的交點。共有95.741 4%的交點不符值小于規(guī)范要求的0.6 m。

經(jīng)過兩組數(shù)據(jù)對比，采用實測潮汐與預報潮汐結合處理的方式，比完全采取實測潮汐處理，交點不符值相對誤差≤2.0%的比例高0.480 2%，交點不符值<0.6 m的比例高0.265 3%。采取實測潮汐與預報潮汐結合處理的方式，比完全采取實測潮汐處理數(shù)據(jù)質量更好。

3 結 語

本文以南海某海域實測多波束數(shù)據(jù)為例，針對數(shù)據(jù)處理中的關鍵技術和重要步驟，進行針對性的研究與分析。潮汐改正的效果直接影響淺水水深精度，本文對比分析實測潮汐和預報潮汐對遠海淺水水深的改正效果，試驗結果表明兩種潮汐改正方式均有效，部分水深數(shù)據(jù)采用預報潮汐效果更優(yōu)。在項目中采用預報潮汐和實測潮汐相結合的方式來進行潮汐改正，綜合考慮項目作業(yè)成本、潮汐數(shù)據(jù)獲取難易程度、項目工期等因素，采用預報潮汐能夠滿足項目對水深精度的要求，同時也可以節(jié)約作業(yè)成本，為同類水深測量項目提供一種可供借鑒的潮汐改正方式方法。