多波束測(cè)深邊緣波束誤差的綜合校正

1、第27卷第4期2005年7月海洋學(xué)報(bào)ACTAOCEANOLOGICASINICAVol.27,No.4July2005多波束測(cè)深邊緣波束誤差的綜合校正吳自銀1,2,金翔龍1,2,鄭玉龍2,李家彪2,余平3(1.浙江大學(xué)地球科學(xué)系,浙江杭州310028;2.國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310012;3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東廣州510760)摘要:邊緣波束誤差是影響多波束測(cè)深數(shù)據(jù)精度的主要因素,也是進(jìn)行相關(guān)研究的基礎(chǔ).、,測(cè)線方向的條帶狀假地形或地形位置偏移.過(guò)程,面向?qū)ο蠓椒?全面分析造成多波束勘測(cè)大,、提高數(shù)據(jù)精度的綜合處理方法,最終.該項(xiàng)研究成果已初步應(yīng)用于海洋項(xiàng)目總圖編繪工作

2、,并取得了預(yù)期效果.關(guān)鍵詞:多波束;邊緣波束處理;噪聲編輯;誤差校正中圖分類號(hào):P283;P209文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):025324193(2005)04200882071引言多波束測(cè)深系統(tǒng)是當(dāng)代海洋基礎(chǔ)勘測(cè)中的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品.它采取多組陣和廣角發(fā)射接收,并形成條幅式高密度測(cè)深數(shù)據(jù),是計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)和數(shù)字化傳感器技術(shù)等多種高新技術(shù)的高度集成,是一種全新的高精度全覆蓋式測(cè)深系統(tǒng)13.從20世紀(jì)90年代我國(guó)首次引進(jìn)SeaBeam多波束勘測(cè)深水系統(tǒng)在大洋調(diào)查和邊緣海深水區(qū)勘測(cè)中起到重要作用,EM950和ElacBottomChart1180/1050中淺水多波束勘測(cè)系統(tǒng)被應(yīng)用于海洋環(huán)境

3、調(diào)查項(xiàng)目,SeaBat淺水系統(tǒng)在光纜路由調(diào)查中起到重要作用.近年來(lái)開(kāi)展了數(shù)個(gè)基礎(chǔ)勘測(cè)項(xiàng)目,獲取了相關(guān)海域的多波束測(cè)深資料,但在上述多波束勘測(cè)數(shù)據(jù)的后處理成圖過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題(見(jiàn)圖1).圖1a位于陸架淺水區(qū)域,從該圖看出等深線極不光滑,左部等深線呈南北向抖動(dòng),右下部等深線呈西南北東向抖動(dòng),反映了沿航跡方向的假地形.圖1b是用在深水區(qū)采集的多波束數(shù)據(jù)繪制的等值線系統(tǒng)以來(lái),多波束勘測(cè)系統(tǒng)的引進(jìn)呈蓬勃增加之勢(shì),其中比較典型的多波束測(cè)深系統(tǒng)有美國(guó)SBI公司的SeaBeam深水多波束測(cè)深系統(tǒng)、挪威Simard公司的EM多波束測(cè)深系列、德國(guó)AlliedSignalELACNautik公司的ElacBo

4、ttomChart1180/1050多波圖,跟蹤該圖中單一等深線不難發(fā)現(xiàn)等深線極不光滑,甚至相鄰等深線在局部抖動(dòng)區(qū)呈平行狀,在該圖的左上部有一假海溝狀地形,西南-北東向等深線在該處被截止,通過(guò)實(shí)測(cè)航跡分析,上述地形均為沿束測(cè)深系統(tǒng)、STNATLASELEKTRONIK公司的ATLASFansweep多波束測(cè)深系統(tǒng)及美國(guó)RESON公司的SeaBat多波束測(cè)深系統(tǒng)等2,其中SeaBeam收稿日期:2004201204;修訂日期:2004207208.基金項(xiàng)目:大洋技術(shù)項(xiàng)目資助(DY105203201207)“;863”青年基金資助項(xiàng)目(2002AA616010);海洋局基金資助項(xiàng)目(2002316

5、).),男,河南省光山縣人,副研究員,從事海洋地質(zhì)及信息技術(shù)研究.E2mail:ziyinwu作者簡(jiǎn)介:吳自銀(19724期吳自銀等:多波束測(cè)深邊緣波束誤差的綜合校正89航跡方向的假地形.圖1c位于深海平原區(qū),該圖等深線均呈鋸齒狀,甚至相互平行,實(shí)測(cè)的航跡為南北向,通過(guò)三維圖分析,基于該數(shù)據(jù)反映的海底形態(tài)為南北向延伸、相互平行類砂脊?fàn)畹匦?是典型的假地形.圖1所顯現(xiàn)的精度問(wèn)題具有一定的代表性,這種精度問(wèn)題必須得到徹底解決才能制作符合規(guī)范要求的海底地形圖件.本文研究工作的目的在于對(duì)“九五”期間已勘探的相關(guān)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析,探尋出現(xiàn)精度問(wèn)題的原因并提出相應(yīng)的解決辦法,然后用獲得的經(jīng)驗(yàn)和方法再

6、去指導(dǎo)后續(xù)的多波束勘測(cè)和相關(guān)研究工作.211海洋噪聲導(dǎo)致的測(cè)量誤差噪聲(即假信號(hào)或壞波束)產(chǎn)生的原因是多方面的,對(duì)不同測(cè)深系統(tǒng)而言,測(cè)量噪聲產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)方面2,8:(1)海況條件不好;(2)人為操作失誤或聲吶參數(shù)設(shè)置不合理;(3)儀器、環(huán)境等其他原因.對(duì)測(cè)深資料進(jìn)行編輯,主要是剔除因海況因素產(chǎn)生的噪聲.測(cè)深系統(tǒng)對(duì)海況的依賴性很大,當(dāng)海況惡劣到一定程度時(shí)采集的資料便包含很大的噪聲成分,甚至導(dǎo)致測(cè)深系統(tǒng)不能正常工作.操作人員不熟練或聲吶參數(shù)設(shè)置不合理會(huì)造成一些人為噪聲,有時(shí)會(huì)導(dǎo)致儀器不能找到海底,使大量有效波束丟失,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓.除了上述因素會(huì)在,、魚群、海底底質(zhì)和地形對(duì),都

7、會(huì)不同程度地產(chǎn)生噪聲,從而對(duì)測(cè)深系統(tǒng)的正常測(cè)量工作帶來(lái)一定的干擾和影響.212聲吶參數(shù)偏差導(dǎo)致的測(cè)量誤差探頭和運(yùn)動(dòng)傳感器的安裝一般不能達(dá)到理想狀態(tài),盡管嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行了橫搖(roll)、縱搖(pitch)、電羅經(jīng)偏差和導(dǎo)航遲延的校正,但如果校正海區(qū)與勘測(cè)海區(qū)水深、聲場(chǎng)差異太大,也會(huì)出現(xiàn)因聲吶參數(shù)偏差導(dǎo)致的勘測(cè)誤差.其次,由于海洋勘測(cè)的長(zhǎng)期性和特殊性,如果不定期重新校正上述參數(shù),也可能導(dǎo)致測(cè)量誤差,而這種誤差無(wú)法通過(guò)編輯方法予以剔除(圖1c).實(shí)際工作表明上述聲吶參數(shù)中橫搖角度偏差對(duì)測(cè)量精度的影響占主導(dǎo)地位,該誤差值的大小直接圖1測(cè)深誤差數(shù)據(jù)實(shí)例2多波束測(cè)深誤差源分析在多波束系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中

8、由于儀器自噪聲、海況因素、聲吶參數(shù)設(shè)置不合理或者使用了較大誤差的聲速剖面,致使測(cè)量資料不可避免地存在假信號(hào)(噪聲),造成虛假地形,從而使繪制的海底地形圖與真實(shí)海底存在差異(圖1)13.為了提高海底地形圖的精度,必須消除這些假地形信號(hào),為此首先對(duì)實(shí)時(shí)采集的測(cè)深資料進(jìn)行編輯或校正,剔除假信號(hào),恢復(fù)、保留真實(shí)信息,為后處理成圖作好必要的準(zhǔn)備.影響勘測(cè)的效率和相鄰測(cè)幅的有效拼接.橫搖角度偏差導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正確歸位中央波束,中央波束與垂直方向有一定夾角,中央波束在垂直入射情況下傳播距離、走時(shí)都最短,傾斜入射必然延長(zhǎng)走時(shí),系統(tǒng)在運(yùn)算時(shí)卻誤認(rèn)為中央波束是垂直入射的,在計(jì)算其他波束時(shí)也是按照與中央波束間的夾角關(guān)

9、系依次計(jì)算走時(shí)和傳播距離,最終導(dǎo)致勘測(cè)的海底面與實(shí)際海底面間有一定的夾角.在實(shí)際勘測(cè)時(shí)往往表現(xiàn)為一邊波束上翹、另一邊波束下凹,與正常地形不同的是這種現(xiàn)象隨航向而改變,在平坦海區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯,在后處理成圖中往往出現(xiàn)沿航跡方向的條帶狀假地形.在某深水航次中獲取了典型的范例數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖1c).針對(duì)聲吶參數(shù)誤差后處理主要是校90海洋學(xué)報(bào)27卷正橫搖角度偏差.213誤差聲速剖面導(dǎo)致的測(cè)量誤差為了定量討論誤差聲速剖面對(duì)多波束勘測(cè)的影響,我們基于斯涅爾定律編寫了相應(yīng)的聲波傳播程序,并用該程序?qū)ν坏攸c(diǎn)、不同時(shí)間采集的兩條聲速剖面進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)(圖2).980721和980802是在東海某區(qū)相近位置用同一CTD

10、聲速儀分別于1998年7和8月采集的兩條聲速剖面,980721聲速剖面于70m左右具有明顯躍層結(jié)構(gòu),980802聲速剖面呈現(xiàn)負(fù)梯度結(jié)構(gòu).假定海底水深是120m(便于闡述問(wèn)題),波束間距是2,最大發(fā)射開(kāi)角是150,用980721剖面采集的資料,然后用980802剖面改正,會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重誤差(表1),當(dāng)波束入射角大于60時(shí)水深誤差已大于國(guó)際航道組織(IHO,InternationalHydrographicOrganization)16的1%精度要求,而當(dāng)波束入射角等于74時(shí)水深誤差已達(dá)到4180%,在該情況下由不準(zhǔn)確聲速剖面帶入的誤差已遠(yuǎn)大于其他因素造成的誤差,使測(cè)量的海底地形發(fā)生畸變.影響聲速改正

11、的因素主要有三個(gè)2,1321:表層表1不準(zhǔn)確的聲速剖面引起的測(cè)量誤差)入射角/(60100115323515203121181901856210011622491721917118161111641001173266112381311813114366100118528418259131171811826810011993061728314117122131701001216332133111211615219472100123636218343191151531747410012593991338216114124180走時(shí)/s傳播距離/m中心距/m水深/m水深誤差(%)聲速變化、聲速剖面躍

12、層及其深度和換能器垂直升降運(yùn)動(dòng).表層聲速的變化是整個(gè)聲速剖面變化中最活躍的部分.由于受到晝夜溫差和季節(jié)性變化的影響,表層聲速常持續(xù)發(fā)生變化,一般晝夜變化為1m/s,季節(jié)性變化可達(dá)19m/s.由于表層聲速的變化最早改變波束射線路徑,因此表層聲速變化對(duì)波束測(cè)量精度的影響也就最大,尤其邊緣波束更是如此.試驗(yàn)表明表層聲速減小時(shí)將引起勘測(cè)海底兩頭上翹,而表層聲速增加時(shí)將引起勘測(cè)海底兩頭下凹.表層聲速變化越大,引起的海底畸變也越大,并且這種畸變從中央波束到邊緣波束呈迅速增加的趨勢(shì).根據(jù)斯涅爾折射定律,聲波在傳播過(guò)程中遇聲速界面(躍層)將發(fā)生折射,使各波束聲線的傳播路徑和前進(jìn)方向發(fā)生改變.躍層的強(qiáng)度和深度影

13、響多波束的測(cè)量精度,躍層強(qiáng)度越大,聲波射線偏轉(zhuǎn)角度越大,則波束測(cè)點(diǎn)的空間位置變化越大;躍層越淺,波束偏轉(zhuǎn)越早,如果是遞增躍層,邊緣波束測(cè)點(diǎn)距中央波束測(cè)點(diǎn)的距離越遠(yuǎn),反之兩者距離越近;躍層較深,則躍層對(duì)波束偏轉(zhuǎn)影響較小.對(duì)于多波束系統(tǒng)而言,如果躍層較淺,換能器正好處于躍層之中,在勘測(cè)過(guò)程中由于波浪作用導(dǎo)致船體搖晃,換能器探頭隨船體運(yùn)動(dòng),探頭將有可能起伏于躍層之中,探頭在躍層上下測(cè)量的結(jié)果是不同的,在碼頭或淺水區(qū)域勘測(cè),必須考慮這種因素導(dǎo)致的勘測(cè)誤差.4期吳自銀等:多波束測(cè)深邊緣波束誤差的綜合校正913綜合處理方法及流程海洋噪聲、聲吶參數(shù)偏差和聲速剖面誤差等因素對(duì)多波束勘測(cè)數(shù)據(jù)的影響是一個(gè)復(fù)雜、綜

14、合、疊加作用的過(guò)程,因此針對(duì)不同的誤差源,首先應(yīng)采取相應(yīng)的校正措施分別按步驟處理,最終以綜合可視化的校正方法提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量.311噪聲剔除方法2,8夾角(在實(shí)測(cè)監(jiān)視屏上常表現(xiàn)為波束腳印2連線呈傾斜翹起狀態(tài)),測(cè)量海底與真實(shí)海底以中央波束為軸呈斜交狀,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致在平坦海區(qū)勘測(cè)的海底地形出現(xiàn)沿航跡方向的條帶狀假地形,在進(jìn)行聲速校正或后處理成圖前必須校正這種誤差.在勘測(cè)前嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行參數(shù)校正,勘測(cè)過(guò)程中也嚴(yán)格按照要求進(jìn)行,理論上測(cè)量結(jié)果應(yīng)該滿足精度要求,但由于多波束勘測(cè)的長(zhǎng)期性和特殊性,受外界影響甚大,如惡劣海況導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)傳感器不能及時(shí)補(bǔ)償船姿、航次勘測(cè)末期船載油水的大量減少導(dǎo)致船姿的改變、在

15、敏感海區(qū)勘測(cè)不能定期校正聲吶參數(shù)等,多年的實(shí)測(cè)工作表明在長(zhǎng)期勘測(cè)中常有(),而重新測(cè)量將投前對(duì)橫搖偏差角的校正方法一般2,1321:選擇平坦海區(qū)(水深一般在20100m)布設(shè)三條往返測(cè)線(測(cè)線長(zhǎng)度一般是水深的20倍),勘測(cè)船以5kn左右速度全開(kāi)角發(fā)射、往返徑直穿過(guò)每條測(cè)線,然后編輯每條測(cè)線并進(jìn)行潮位、吃水改正,最后以每條往返測(cè)線為一組進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)運(yùn)算,求取左、右舷橫搖偏差角度(見(jiàn)圖3).其他聲吶參數(shù)一般選擇典型海底目標(biāo)物(如沉船、管線、錨溝等),布設(shè)一條往返測(cè)線,根據(jù)具體要求設(shè)置不同的發(fā)射開(kāi)角和速度穿過(guò)目標(biāo)物,用目標(biāo)識(shí)別、對(duì)比方法校正相應(yīng)的聲吶參數(shù),但如果發(fā)現(xiàn)勘測(cè)后的數(shù)據(jù)有聲吶參數(shù)偏差問(wèn)題,如

16、何在已勘測(cè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上消除聲吶參數(shù)造成的誤差國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)相關(guān)研究(國(guó)家海洋信息中心文獻(xiàn)館查新結(jié)論1),國(guó)外也未見(jiàn)相應(yīng)的商用軟件.我們采取的策略是(見(jiàn)圖4):選擇一塊已勘測(cè)的較平坦海區(qū),將波束點(diǎn)(腳印2)沿航跡方向疊加投影,假定海底是一微傾斜平面,則投影結(jié)果必然是以中央波束為中軸的近似正弦波狀圖形(見(jiàn)圖1c),計(jì)算出每個(gè)扇區(qū)與其相鄰測(cè)線相應(yīng)扇區(qū)中央波測(cè)深數(shù)據(jù)的編輯方法有多種,不同測(cè)深系統(tǒng)的編輯方法亦不盡相同,但總的編輯思路是一致的,編輯的對(duì)象一般是水深值,有的軟件也可以對(duì)水深點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行編輯,用于消除導(dǎo)航定位造成的位置誤差.我們?cè)诳偨Y(jié)使用多套測(cè)深系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,將測(cè)深數(shù)據(jù)編輯方法歸納分為兩種:計(jì)

17、算機(jī)自動(dòng)識(shí)別法和人機(jī)交互識(shí)別編輯法,計(jì)算方法分別為曲面擬合法和投影法.(1)曲面擬合法.,.用中央波束點(diǎn)集建立噪聲誤差模型,用一定的曲面擬合海底面,超出曲面一定范圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)稱之為躍點(diǎn),采取人機(jī)交互的方式予以剔除.對(duì)曲面擬合常用的計(jì)算方法有Bezier方法、B樣條方法、最小二乘法擬合等.(2)投影法.因?yàn)椴杉乃顢?shù)據(jù)是三維的,對(duì)測(cè)線文件進(jìn)行編輯時(shí)首先必須把水深數(shù)據(jù)投影到三視圖平面上,然后才能進(jìn)行編輯.投影方式主要有以下幾種:1)沿測(cè)線前進(jìn)方向投影;2)正交測(cè)線方向投影;3)垂直正投影.如果同時(shí)對(duì)多條測(cè)線文件進(jìn)行編輯,可以采取垂直正投影.為了進(jìn)一步提高編輯效果,在垂直正投影的基礎(chǔ)上還可以用“水深

18、分層法”和“相鄰波束及相鄰測(cè)線對(duì)比編輯法”進(jìn)行編輯.采用上述方法編輯多波束測(cè)深數(shù)據(jù)的過(guò)程中,還要自始至終貫穿“參考地形變化趨勢(shì)編輯”的原則.312聲吶參數(shù)后處理校正方法束連線與水平線的夾角,然后求出這些夾角的均方根,該值即為試驗(yàn)海區(qū)的海底自然坡角近似值.假如試驗(yàn)海底是一微傾斜平面,即使聲吶參數(shù)存在誤差,每個(gè)多波束勘測(cè)條幅也是與海底面相交的一個(gè)傾斜平面,可以求出每條勘測(cè)條幅每個(gè)扇區(qū)2(fan)的傾斜角度,然后求出每條勘測(cè)條幅上所有扇區(qū)傾角的均方根,再求出試驗(yàn)區(qū)相同航向勘測(cè)條幅均方根的非海洋噪聲因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差不能通過(guò)編輯方法徹底剔除,須分析造成誤差的原因,通過(guò)相應(yīng)方法予以校正.聲吶參數(shù)偏差導(dǎo)致

19、的測(cè)量誤差往往與海洋噪聲導(dǎo)致的誤差有明顯的不同,其中以橫搖角度偏差導(dǎo)致的測(cè)量誤差最明顯.因橫搖偏差角的存在導(dǎo)致實(shí)測(cè)地形沿航跡方向與真實(shí)海底存在一定的1)查新報(bào)告:多波束邊緣波束的可視化綜合處理技術(shù)研究(NMDIS20022002).92海洋學(xué)報(bào)27卷平均值,兩相向航向均方根的平均值減去先前求取的海底傾斜角度,最后求平均,該平均值理論上就是橫搖偏差誤差角度.聲速剖面造成的測(cè)量誤差:(1)重新擬合最佳聲速剖面;(2)直接校正偏差數(shù)據(jù).(1)重新擬合最佳聲速剖面.由于測(cè)深系統(tǒng)勘測(cè)的時(shí)效性,一般多波束系統(tǒng)只能用有限個(gè)聲速點(diǎn)去近似擬合實(shí)際聲場(chǎng)(如SeaBeam多波束系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)最多可輸入30個(gè)聲速值10

20、),因此對(duì)聲速剖面點(diǎn)的選取非常重要,選擇的聲速點(diǎn)應(yīng)該是聲速剖面線的拐點(diǎn)和特征點(diǎn),否則由選取的聲速剖面點(diǎn)構(gòu)成的擬合曲線不能代表實(shí)測(cè)聲速剖面,它必然導(dǎo)致勘測(cè)誤差,尤其在聲場(chǎng)復(fù)雜的深水海區(qū),往往用有限個(gè)點(diǎn)很難準(zhǔn)確擬合實(shí)際聲速剖面,在長(zhǎng)期勘測(cè)中如不能定期加測(cè)聲速剖面,將必然導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生,.我:,使其達(dá)到最佳擬合效果,用新擬,并根據(jù)水深剩余值來(lái)評(píng)估并調(diào)整聲速剖面.考慮到測(cè)量聲速剖面的儀器本身也可能有一定的系統(tǒng)誤差,需進(jìn)行一些處理,如滯后訂正、鹽度和聲速計(jì)算及噪聲平滑等2.選取合適的聲速計(jì)算公式也是很重要的因素,公認(rèn)準(zhǔn)確的聲速計(jì)算公式是Wilson公式,Medwin公式也很常用.相對(duì)簡(jiǎn)單的聲速計(jì)算公

21、式有Leroy公式及Frye和Pugh給出的公式1321.如果用求取的最佳擬合聲速剖面重新計(jì)算平坦試驗(yàn)區(qū)海底地形仍未能得到有效改善,則需應(yīng)用直接校正方法.(2)直接校正偏差數(shù)據(jù).具體步驟是:選擇一塊已勘測(cè)的較平坦海區(qū),將波束點(diǎn)(腳印)沿航跡方向疊加投影,首先求取海底自然傾斜角度.對(duì)誤差波束的校正可以采取兩種方法進(jìn)行:旋轉(zhuǎn)法和系數(shù)法.以中央波束點(diǎn)為格網(wǎng)點(diǎn)建立VIP(veryimportantpoints)點(diǎn)集,用VIP點(diǎn)集建立試驗(yàn)區(qū)的數(shù)字地面模型29(TIN網(wǎng)或格網(wǎng)),以中央波束為原點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系,以其他波束與中央波束的距離為半徑旋轉(zhuǎn)至實(shí)際海底面,同時(shí)求取旋轉(zhuǎn)后的波束位置及水深值.系數(shù)法與旋轉(zhuǎn)

22、法不同在于通過(guò)試驗(yàn)區(qū)求取每個(gè)勘測(cè)波束水深與實(shí)際海底水深間的誤差系數(shù),然后用該系數(shù)去校正其他海區(qū).如果勘測(cè)結(jié)果上翹,將每個(gè)波束的傳播路線自然延伸至海底面;如果下凹,則縮短波束的傳播路線至海底面,本質(zhì)上是增加或縮短波束的走時(shí),由校正后的走時(shí)可以重新計(jì)算波束測(cè)點(diǎn)位置和水深值.求出每個(gè)實(shí)測(cè)波束走時(shí)的校正百分比,然后用該百分比(系數(shù))去校正其他非平圖3橫搖偏差校正示意圖4313聲速改正除海洋噪聲和聲吶參數(shù)偏差導(dǎo)致的測(cè)量誤差外,不準(zhǔn)確聲速剖面也是導(dǎo)致測(cè)量誤差的一個(gè)重要因素.導(dǎo)致聲速剖面誤差的原因是多方面的:采集聲速剖面的儀器精度不夠、在測(cè)量時(shí)輸入的聲速剖面點(diǎn)不能很好地?cái)M合實(shí)際聲場(chǎng)、測(cè)區(qū)聲速測(cè)站點(diǎn)太稀、沒(méi)有

23、及時(shí)更新聲速剖面、因海況因素導(dǎo)致表層聲速劇變、聲速躍層變化過(guò)快等110.聲速對(duì)測(cè)深誤差影響由三部分組成:(1)垂直誤差;(2)聲線彎曲引起的水深誤差;(3)回波位置偏移以及在斜坡區(qū)由于位置偏移而引起的水深誤差210.可用下述公式定量計(jì)算聲速造成的測(cè)深誤差:H=H-vcosdt=ni=1(hi-tivicosi),式中,H為水深;H為誤差值;hi為單層水深;ti為聲波在單層海水中的走時(shí);vi為測(cè)量聲速;i為折射角;n為水深分層數(shù).我們不能重新采集準(zhǔn)確的聲速剖面去替代誤差聲速剖面,但可采取一些補(bǔ)救措施來(lái)校正聲速剖面造成的測(cè)量誤差.與聲吶參數(shù)偏差導(dǎo)致的測(cè)量誤差不同在于:用誤差聲速剖面勘測(cè)的平坦海區(qū)的

24、海底地形往往表現(xiàn)為邊緣波束上翹或下凹2,自中央至邊緣波束逐漸加劇.有兩套方案可以改善由不準(zhǔn)確4期吳自銀等:多波束測(cè)深邊緣波束誤差的綜合校正93坦海區(qū).較之于其他方法,采用直接校正法改正多波束測(cè)深數(shù)據(jù)誤差在理論上并非最佳選擇.314綜合校正流程高精度測(cè)深系統(tǒng)勘測(cè)數(shù)據(jù)誤差是多種因素綜合作用、疊加的結(jié)果,依靠單一方法很難徹底解決勘測(cè)中出現(xiàn)的精度問(wèn)題,需對(duì)勘測(cè)數(shù)據(jù)的誤差源進(jìn)行全面分析,然后綜合多種處理方法,并通過(guò)人機(jī)交互的方式多次反饋處理(圖5).首先導(dǎo)入試驗(yàn)區(qū)測(cè)深數(shù)據(jù)(有條帶狀假地形特征),通過(guò)擬合法或投影法對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行初步編輯,剔除由海洋噪聲導(dǎo)致的誤差波束點(diǎn),然后分析是否有聲吶參數(shù)誤差,如果有,

25、則用沿航跡投影波束點(diǎn)的方法求取聲吶參數(shù)偏差,最后用較準(zhǔn)確的聲吶參數(shù)去校正試驗(yàn)數(shù)據(jù),并重新精細(xì)編輯,剔除被系統(tǒng)誤差掩蓋的海洋噪聲數(shù)據(jù).如果沒(méi)有聲吶參數(shù)誤差,則進(jìn)一步分析是否有聲速剖面誤差問(wèn)題,如果存在,新編輯.,和聲速改正需要根據(jù)反饋的校正結(jié)果進(jìn)行多次調(diào)整,直至試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)能夠反映真實(shí)海底地形,達(dá)到IHO1%的精度要求16.4應(yīng)用展望(1)提高海底地形勘測(cè)數(shù)據(jù)的精度.“九五”期間已開(kāi)展相關(guān)海域的多波束調(diào)查,測(cè)區(qū)范圍廣,水深變化區(qū)間大,已經(jīng)暴露了一些測(cè)量數(shù)據(jù)精度的問(wèn)題,其中以沿測(cè)線方向的條帶狀假地形最為明顯、嚴(yán)重.我們的初步研究成果已為編制海底地形和海底地貌圖件工作提供了及時(shí)的服務(wù)22.(2)對(duì)將開(kāi)

26、展的后續(xù)多波束勘測(cè)項(xiàng)目具有指導(dǎo)意義.中發(fā)揮作用,對(duì)“九五”,.,其應(yīng)用前景甚至被譽(yù)為海底遙感.全覆蓋、高精度的多波束勘測(cè)數(shù)據(jù)也可用于微地形、地貌研究,如最近在大陸架調(diào)查中又發(fā)現(xiàn)了一些小型海底峽谷、陸架區(qū)線狀砂脊群及沖繩海槽中央洼地中的線性海山等.精細(xì)的多波束勘測(cè)數(shù)據(jù)也為構(gòu)造地貌和古環(huán)境演化研究奠定了基礎(chǔ).帶誤差的多波束勘測(cè)數(shù)據(jù)將給上述研究蒙上假象.(4)促進(jìn)多波束勘測(cè)系統(tǒng)軟硬件的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程.目前我國(guó)現(xiàn)役的多波束系統(tǒng)基本都是從國(guó)外引進(jìn)的,如何提高國(guó)產(chǎn)多波束系統(tǒng)的實(shí)用性能,并最終趕超國(guó)際先進(jìn)水平,使我國(guó)的海洋測(cè)繪工作由對(duì)國(guó)外的依賴逐漸轉(zhuǎn)為自立,其意義重大.對(duì)多波束大誤差邊緣波束問(wèn)題的徹底解決將有利

27、于國(guó)內(nèi)的多波束系統(tǒng)軟硬件的研制.圖5大誤差測(cè)深數(shù)據(jù)綜合處理流程圖參考文獻(xiàn):1金翔龍,高金耀.我國(guó)多波束數(shù)據(jù)綜合處理成圖技術(shù)的現(xiàn)狀和對(duì)策A.中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)年刊C.武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2000.230.2李家彪.多波束勘測(cè)原理技術(shù)和方法M.北京:海洋出版社,1999.3吳自銀,高金耀,方銀霞,等.海底地形成圖子系統(tǒng)MBMap的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)J.海洋通報(bào),2002,21(1):6979.4巴蘭金,鮑李所夫.大陸架地形測(cè)量手段與方法M.天津:中國(guó)人民解放軍海軍司令部航海保證部,1984.5朱維慶,魏建江.多波束測(cè)深聲吶的隨機(jī)誤差模型J.海洋技術(shù),1986,2:98104.6陳非凡.多波束條帶測(cè)深技

28、術(shù)的研究J.海洋技術(shù),1998,17(2):15.7陳非凡.多波束條帶測(cè)深儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差評(píng)估J.海洋技術(shù),1999,18(1):4245.8吳自銀,李家彪.多波束勘測(cè)的數(shù)據(jù)編輯方法J.海洋通報(bào),2000,19(3):7478.9朱慶,李德仁.多波束測(cè)深數(shù)據(jù)的誤差處理與分析J.武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào).1998,23(1):14.10何高文,劉方蘭.多波束測(cè)深系統(tǒng)聲速校正J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì).2000,20(4):109113.11吳自銀.海底地形坡度參數(shù)分析A.東太平洋多金屬結(jié)核礦帶海洋地質(zhì)與礦床特征M.北京:海洋出版社,1997.9412王英,李家彪,韓喜球,等.地形坡度對(duì)多金屬結(jié)核分布的

29、控制作用J.海洋學(xué)報(bào),2001,23(1):6065.13ROBERTJU.PrinciplesofUnderwaterSoundM.3rded.NewYork:McGraw2HillBookCompany,1983.14SPIESFN.SeafloorresearchandoceantechnologyJ.MTSJournal,1987,21(2):517.海洋學(xué)報(bào)27卷15TIMO2PEKKAJANTTI.TrialsandexperimentalresultsofECHOSXDmultibeamechosounderJ.IEEEJournalofOceanicEngineer2ing,1

30、989,14(4):306313.16IHO.IHOstandardsforhydrographicsurveys:No.44.S.4thed.SpecialPublication,1994.17TYCERC.SeaBeamdatacollectionandprocessingdevelopmentJ.MTSJournal,1988,21(2):8092.18LINGSCHSC,ROBINSONCS.AcousticimageryusingamultibeambathymetricsystemJ.MarineGeodesy,1992,15:8195.19FERGUSONJS,CHAYSEDA.

31、Agenericswath2mappingdataformatJ.MarineGeodesy,1992,15:129140.20ALEXANDROD,MOUSTIERC.AdaptivenoisecancelingappliedtoSeaBeamsidelobeinterferencerejectionJ.IEEEJournalofOce2anicEngineering,1998,13(2):7076.21DAVIDWC,DALENC.MultibeamdataprocessingofhydrosweepDSJ.MarineGeophysicalResearches,1996,18:631650.22吳自銀,金翔龍,高金耀,等.地形地貌多源數(shù)據(jù)綜合成圖關(guān)鍵技術(shù)J.海洋學(xué)報(bào),2003,25(增刊1):143148.Integratederrorcorrectionofmulti2beamWUZi2yin1,2,Jng1,2,2,LIJia2biao2,YUPing3(1.Departmentof,y,Hangzhou310028,China;2.KeyLaboratoryofSubmarineGeosci2encesofState,Hangzhou310012,China;3.MarineGeologicalSurveyBureauofGuangzhou,