王志彬 張潤達(dá)

（廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510320）

0 引言

近年來，多波束測深系統(tǒng)［1］、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、合成孔徑聲吶等被應(yīng)用于對海纜和海底障礙物的探測中。但因自身具有局限，導(dǎo)致單一探測技術(shù)無法準(zhǔn)確、全面獲得海纜、障礙物的存在形態(tài)，這就使多種探測技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用成為趨勢。陳正榮等［2］提出了多波束測深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶的聯(lián)合應(yīng)用方案，并用來掃測海底掉落的集裝箱。王強(qiáng)等［3］、陳超等［4］、黃小衛(wèi)等［5］提出了多波束測深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶的聯(lián)合應(yīng)用方法，用于檢測海底電纜路由及海上風(fēng)電場水下結(jié)構(gòu)的沖刷情況。董玉娟等［6］根據(jù)側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀特點，研究EdgeTech 3100 型淺地層剖面儀和4200-FS 型側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在海底輸油管道檢測中的應(yīng)用。綜上所述，兩種甚至多種探測技術(shù)在海底障礙物及海底電纜探測中的聯(lián)合應(yīng)用日益廣泛。目前，學(xué)者對如何獲取海底電纜路徑上的詳實水深數(shù)據(jù)、水下結(jié)構(gòu)圖像及海底電纜埋設(shè)情況的研究相對較少。本研究提出一種融合了多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀的多元探測方法，并使用該方法對珠海大萬山島波浪能示范區(qū)的海底電纜路徑水域進(jìn)行全覆蓋測量。

1 測區(qū)概況

珠海大萬山島是我國海洋能資源最豐富的海域之一，全年主要風(fēng)力分為秋冬春三季的東北季風(fēng)、夏季的西南季風(fēng)。大萬山島北側(cè)有白瀝島，西側(cè)有小萬山島，東南側(cè)15 km 處有廟灣島和北尖島。整個大萬山島受東北、東、東南、南、西南方向海浪的影響，而島嶼南側(cè)區(qū)域各方向波浪均可抵達(dá)。大萬山島南側(cè)四季具有較均勻的波浪能資源，年均波浪能流密度不低于5 kW/m，全年有效波高為1.5～2.5 m的累計時間不小于2 000 h。大萬山島南側(cè)的波浪能資源豐富，四季分布均勻，海底平整，流速較低，與海島其他用戶的海運需求并無沖突，適合作為波浪能發(fā)電系統(tǒng)的工程示范區(qū)，示范工程示意如圖1所示。

圖1 大萬山島波浪能示范工程示意

2 掃測方案

使用T50-P 多波束測深系統(tǒng)對測區(qū)進(jìn)行掃測，并使用Klein 4900多功能側(cè)掃聲吶和EdgeTech 3400淺地層剖面儀進(jìn)行多元協(xié)同探測。掃測時，按照國內(nèi)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和IHO S-44 Ed.5 1a 等級測量標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋樗罨鶞?zhǔn)面，采用四尺巖自動驗潮站進(jìn)行水位控制，使用Trimble SPS 461 DGPS 定位系統(tǒng)來接收無線電差分臺信號，從而實現(xiàn)實時定位。DGPS 接收機(jī)輸出的成果為WGS-84 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，在航海用途上，WGS-84 坐標(biāo)系等同于CGCS2000 坐標(biāo)系，可直接輸入到Hypack 測量軟件中進(jìn)行導(dǎo)航。測圖采用高斯-克呂格投影，3°帶投影，中央子午線為114°E（38°帶）。

3 掃測流程

3.1 多波束水深測量實施

在進(jìn)行水深測量時，采用DGPS 系統(tǒng)進(jìn)行定位，輸出WGS-84坐標(biāo)給導(dǎo)航計算機(jī)，用于船舶導(dǎo)航和航跡線記錄，用多波束測深采集系統(tǒng)對位置、水深及各種姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。多波束換能器采用船舶側(cè)舷支架方式進(jìn)行安裝，將羅經(jīng)設(shè)置為水深測量的參考原點，建立以船艏方向為Y軸（指向船艏為正）、垂直船艏方向為X軸（指向船右舷為正）、Z軸（鉛垂方向，向下為正）垂直于XOY朝下的左手船體坐標(biāo)系。各單元的位置關(guān)系詳見表1。量取相關(guān)位置數(shù)據(jù)后，分別輸入到船配文件中，并在Caris Hips＆SIPS 8.1多波束數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行歸心改正。測量水深前進(jìn)行安裝校準(zhǔn)，校準(zhǔn)參數(shù)包括橫搖、縱搖、艏向，通過軟件對外業(yè)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)計算，求得各改正值（橫搖1.70°、縱搖-2.00°、艏向1.00°）。多波束掃測按間距為40 m、平行于海底電纜來設(shè)計線路，布設(shè)往返兩條主測深線進(jìn)行覆蓋測量。在多波束掃測時，將航速控制在12.96 km/h內(nèi)，測線兩端延長200 m，以確保多波束采集系系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，保證采集數(shù)據(jù)的可靠性。另外，按主測線里程的5%布設(shè)單波束檢查線，用于在內(nèi)業(yè)處理時對多波束水深數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核。在水深測量前、中、后各進(jìn)行一次聲速剖面測量，當(dāng)聲速剖面發(fā)生顯著變化時，增加聲速剖面的測定次數(shù)。為消除多波束測量時的邊緣波束測量誤差，可在多波束換能器附近安裝表層聲速儀［7］。

表1 T50-P多波束測深系統(tǒng)各單元相對位置參數(shù)

3.2 側(cè)掃聲吶掃測實施

側(cè)掃聲吶主要用于檢測海底沖刷狀態(tài)，包括定位、海底地貌圖像采集、聲吶數(shù)據(jù)處理、聲圖判讀、目標(biāo)分析等功能。大萬山島波浪能示范區(qū)探測海域水深在24 m 左右，側(cè)掃聲吶在掃測時要平行于海底電纜的設(shè)計線路，在設(shè)計線路兩側(cè)40 m 各布設(shè)兩條測線進(jìn)行檢測。

側(cè)掃聲吶掃測使用的是Klein 4900 系統(tǒng)，采用高頻工作模式，選用75 m 量程，拖魚拖曳深度為2 m，船速控制在7.4 km/h 左右，從而能獲取較為清晰的海底圖像。

3.3 淺地層剖面儀掃測實施

根據(jù)多波束測深系統(tǒng)與側(cè)掃聲吶的掃測結(jié)果，使用EdgeTech 3400 淺地層剖面儀對海纜的埋設(shè)信息進(jìn)行詳細(xì)探測，主要用來探測海纜埋深及是否存在裸漏等情況。在使用淺地層剖面儀掃測時，按垂直于海底電纜設(shè)計線路布設(shè)淺地層剖面儀的探測計劃線，計劃線間距為100 m，在海纜拐點處加密探測。設(shè)備以側(cè)舷支架固定的方式進(jìn)行安裝，使用DGPS進(jìn)行定位，采用Discover SB 軟件來采集數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)過程中，要密切關(guān)注底跟蹤等參數(shù)，確保采集到的影像清晰可辨。掃測采用獨立的管線模式，有利于采集地層界面反射系數(shù)，從而確定海底電纜埋設(shè)情況。

4 掃測結(jié)果分析

4.1 水深情況

完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，使用Caris軟件Hips模塊對采集到的傳感器數(shù)據(jù)（多波束數(shù)據(jù)）進(jìn)行處理，并通過設(shè)定合理的過濾參數(shù)，來剔除水深數(shù)據(jù)中的虛假信號。在Hips 模塊中，建立地域圖表文件，直觀地顯示出海底地形的掃測圖像，并將水深數(shù)據(jù)以XYZ格式文件輸出。使用Hypack 軟件對單波束數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過刪除假信號、水位改正后，輸出XYZ數(shù)據(jù)，并與多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。除接近大萬山島的水域較淺外，海底電纜路徑水域水深基本在24 m左右。經(jīng)多波束主測線與單波束檢查線水深比對（抽取170 個水深重合點進(jìn)行比對），最大互差為±0.3 m，符合率為100%，符合規(guī)范要求。

4.2 海底電纜路徑設(shè)計情況

由于多波束測深系統(tǒng)覆蓋全、精度高、位置信息準(zhǔn)確，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率高、實時性好、測量效率高，將兩者協(xié)同應(yīng)用，能詳細(xì)地反映出海底電纜的路徑信息，如圖2、圖3所示。

圖2 海底電纜實測路徑水下結(jié)構(gòu)三維點云

圖3 海底電纜實測路徑水下結(jié)構(gòu)側(cè)掃聲吶圖像

大萬山島波浪能工程區(qū)海底電纜實測路徑與設(shè)計路徑基本吻合，局部情況如圖4 所示。掃測的最大偏差距離為20 m，如圖5 所示。這是因為在海底電纜鋪設(shè)過程中，受潮流流向趨勢、風(fēng)向、船舶行駛方向偏離設(shè)計路線等因素的影響，從而造成偏差。

圖4 海纜實測路徑與設(shè)計路徑局部吻合情況示意

圖5 實測路徑與設(shè)計路徑最大偏差距離示意

4.3 海底電纜埋設(shè)情況

淺剖測量結(jié)果如圖6 所示。圖像可明確指示出海底電纜的埋深情況。

圖6 海底電纜淺地層剖面儀圖像

由各測線的淺剖分析結(jié)果可知，大萬山島波浪能示范區(qū)海底電纜均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，其埋深情況見表2。

表2 大萬山島波浪能示范區(qū)海底電纜埋深情況

綜上所述，通過對海底電纜路徑上的詳實水深數(shù)據(jù)、水下結(jié)構(gòu)圖像及海底電纜埋設(shè)情況進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的探測，為大萬山島波浪能示范區(qū)海底電纜運維提供依據(jù)。

5 結(jié)語

本研究采用多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀聯(lián)合探測的方法，對珠海大萬山島波浪能示范區(qū)海底電纜進(jìn)行全覆蓋探測。通過對測量數(shù)據(jù)、三維圖像等進(jìn)行分析比較，獲取海底電纜路徑上的詳實水深數(shù)據(jù)、水下結(jié)構(gòu)圖像及海底電纜埋設(shè)情況，提高不同方法探測的全面性、準(zhǔn)確性。特別是多種設(shè)備在對海底電纜探測時可實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，將三者的影像在底質(zhì)和地理位置上進(jìn)行疊加，可極大地提高了海底電纜解譯的準(zhǔn)確性，為船舶通航、錨泊安全及海底電纜的安全維護(hù)提供了強(qiáng)有力保障，對海纜維護(hù)探測具有一定的借鑒意義。但淺地層剖面儀在砂底質(zhì)的海底穿透能力較弱［8］、分辨能力較差，海底電纜埋設(shè)情況的探測技術(shù)研究仍有待深入。