1、1深圳市海洋调查中的单波束测深方案设计摘要： 为了更好地开发利用海洋资源、保护海洋环境与海洋生物，国内各种海洋调查工作相继展开，其中的海底地形地貌调查工作更是至关重要。结合近海浅水区域的特殊情况与任务的具体要求，详细介绍了一种以单波束测深技术为核心，利用先进的软硬件组合，设计包含前期准备、计划定制、开展实测、数据处理和规范落实的完整方案，并顺利完成深圳市测区内 210 水深区域的海底地形图测绘工作。 Abstract： In order to better develop and utilize marine resources， protect the marine environment
2、and marine life， all kinds of marine survey work in China have been launched. And the seabed topography and geomorphology investigation work is very important. Combined with the special situation of shallow water area and the specific requirements of task， this paper introduces a scheme in detail， w
3、hich takes single beam sounding technology as the core， uses advanced combination of hardware and software and includes preparation， planning， implementation and survey， data processing and standard specification. And it successfully completed the work of surveying and mapping the seabed topographic
4、 map of 210 water depth area in Shenzhen. 2关键词： 海洋调查；海底地形地貌调查；浅水区域；单波束测深；方案设计 Key words： oceanographic survey；seabed topography survey；shallow water area；single beam sounding；conceptual design 中图分类号： P716 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）24-0257-05 1 海洋调查的意义与深圳海洋调查的需求 1.1 海洋调查的意义 海洋调查是用各种仪器、仪表对海洋中能表征物理、化
5、学、生物学、地质地貌学、气象学及其他相关学科的特征要素进行观测和研究的科学。海洋占了地球表面积的 70.8%1，其中蕴含着丰富的自然资源与潜在的战略意义。1986 年美国制定的“全球海洋科学发展规划”更是将海洋的战略价值彰显无遗，在充分认识到海洋问题的重要性之后众多国家纷纷对海洋科研投入了巨大的人力物力。甚至从某种角度来说，在 21 世纪对海洋资源的开发与利用，不仅仅是国家长远发展与兴盛的保障，而且是国家综合实力的体现。 海洋调查是海洋科学研究的基础。1872 年 12 月至 1876 年 5 月，英国挑战者号的世界首次的环球海洋考察，并邀请了来自多国的著名科学家对采集的样本和数据进行了分析和
6、研究，其后发表的H.M.S.挑战者号航行科学成果报告奠定了近代海洋学的基础。受制于当时的科学技术，获得的成果较为有限，直到第二次世界大战结束后，先进的航海仪3器与声呐等技术才逐渐在海洋科学研究中得到普及，极大地推进了海洋调查的发展。海洋调查的展开不仅为相关的行业提供了珍贵的海洋环境资料，为进一步的科研与实践提供了数据基础，而且不断深化和提升人们对海洋的认识，促进新设备、新仪器的发明创造，使一些新的理论与观点得以提出和证实。 我国的海洋地质调查相对起步较晚，1958 年由国家科学技术委员会成立的海洋专业组才进行了全国首次海洋综合调查，改革开放后，海洋科技事业才逐步加快发展速度，在国家中长期科学与
7、技术发展规划纲要将海洋科技作为重点领域部署。2011 年国家多部委制定并发布的国家“十二五”海洋科学和技术发展规划纲要指出“海洋调查观测能力显着增强为十二五实现快速发展奠定了良好的基础” ，同时也指出“海洋调查探测仍然不足，重点区域的持续性调查和观测研究不够，海洋重大基础研究与生态系统研究不深” 。 1.2 深圳市海洋调查项目 深圳市为了为进一步贯彻落实党的十八大、十八届三中全会精神，切实推进深圳市生态文明、建设美丽深圳，计划开展优化滨海生态空间与开展海域生态修复工作，打造多元、活力、美丽的滨海岸线风貌，推进广东省内伶仃福田国家级自然保护区国家级示范保护区建设。因此亟需开展深圳海域环境和海洋资
8、源调查，分步摸清全市海洋资源基本情况，开展海洋环境保护规划编制，建立以海洋环境容量为目标的入海污染物总量控制制度，加强区域联防和生态系统保护与修复，积极推进深圳湾等重点地区海域污染治理，全面实现保护目标任务。 42014 年 10 月，根据深圳经济特区政府采购条例和深圳网上政府采购管理暂行办法的有关规定，深圳市政府采购中心就“深圳市海洋资源基础调查一期”项目，采用公开招标的方式在全国范围内实施采购，浙江华东测绘地理信息有限公司为本项目中标单位，承担本次“深圳市海洋资源基础调查一期”项目的工作。对深圳东部海域的海底地形地貌进行详尽调查测量，绘制 1：2000 数字化水下地形图，并对东部海岸海底珊
9、瑚礁分布进行侧扫声纳测量。具体范围为向陆域测至海岸线高潮线为止，往南测至港粤分界线，往东测至深惠分界线以东 100m，往北测至深惠分界线以北 100m，图 1 所示即为测量范围2。 鉴于当今的海洋测绘技术水准与深圳市开展工作的需求，最终对精度的要求为：平面精度，测深点的点位中误差在图上1.0mm，1：2000 比例尺水下地形测量时，即实地2.0 m；水深精度，当水深范围在 020m 时，海域测深点深度中误差为0.20m。 本文主要介绍在本次深圳市海洋地形图测绘工作中，设计一套能够满足该精度要求的单波束测深方案，顺利完成水深为 210m 浅海区域的海底地形勘测成图工作。 2 单波束测深方案的设计
10、 2.1 单波束测深技术的原理与应用 单波束测深系统是由水声技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术手段高度集合而成的，利用回声测深原理3，完成“换能器发出声波声波遇到障碍物发生反射换能器接收反射声波”的过程，通过所用时间与水中声速计算得到转换器与障碍物之间的距离，再5结合 RTK 定位解算出该点的高程与坐标，最终利用软件完成地形图的绘制。 相较于后来居上的多波束测深技术，单波束测深虽然在作业范围、测量精度、工作效率等方面都处于劣势，但在实际的海洋测绘中依然作为一种主要的技术手段而被广泛应用，其原因在于： 单波束测深系统在长期的发展与优化中，软硬件设备与数据处理手段不断更新与升级，精度指
11、标与时俱进，在理论研究与实际应用方面积累了丰富的经验，兼具较高的完整性与稳定性。 单波束相较于多波束所使用的仪器，有着体积更小、重量更轻的优势，易于运输、安装和维护，在经过简易调试即可在不同的工程项目中投入使用，尤其在复杂多变的河流与浅滩等地理条件下体现出极高的环境适应能力。 单波束测深仪器价格相对便宜，而且功耗小、操作便捷、数据处理流程简单，更具亲和力与市场推广价值，其优越的性价比在众多的水下地形图测量任务中备受青睐。 由于这次测量工作中要测量的范围包括 210m 的浅水区域，海岸线情况复杂多变，要控制装载多波束测深系统的测量船进行频繁的转弯与调头难以实现，不仅难以发挥出其工作效率上的优势，
12、且存在着因水位浅、礁石多引起的安全隐患，因此使用单波束测深系统是不二之选。 2.2 单波束测深方案的设计原则 鉴于深圳市海洋地形图测量的范围之大、精度之高、时间之紧，单波束测深方案的设计必须要兼顾各项因素，完美解决所有问题4。在当6今的方案设计理念中，不能只局限于测量中所使用的软硬件实体，只有将工作者的相关因素同时考虑在内，从计划的制定到规范守则都必须要进行详尽的设计，才可能真正有效地提高质量、压缩时间、降低成本。 经过对国家标准与本次测量任务要求的分析研究，最终制定出一套以前期准备为基础、计划制定为纲领、规范落实为约束、开展实测为核心、数据处理为手段的综合方案，具体的框架体系如图 2 所示。
13、 2.3 单波束测深方案的详细情况 前期准备：收集所测海域的地形图与潮汐数据，对其可靠性及精确度进行评估，为后期工作的开展提供参考数据；充分了解海域的地理环境与气候条件，对安全隐患与自然灾害发生概率进行评估，制定相关的应急预案；从技术层面分析工作的难易程度，购买仪器与软件，对工作人员进行培训；利用地面控制点与 GPS 建立地面控制网。 计划制定：根据收集的资料，划出属于单波束测量任务的区域范围（深度 210m 的浅海区域） ，并计算其面积；根据划定的范围进行测线布设，在保障精度和安全性的情况下，优化测量船的行驶路线；对于整个测量工作的周期时间与经费开支进行初步预算，递交深圳市政府相关部分审核。
14、 开展实测：根据海底地形图测绘的要求，利用快艇作为载具，组装成具有单波束测深仪、GPS 接收机、涌浪仪、声速剖面仪的测量船5，使用的仪器配置如表 1 所示，组装示意图与实物图如图 3 和图 4 所示。按照测量规范和既定的航线，使用测量船进行测量作业，获取海底障碍物探测点的高程数据。 7数据处理：使用中海达海测软件+V6.3.1+（20130531）进行预处理和潮位改正，完成消浪处理、水位改正工作，获得坐标、水深、高程数据；使用南方 cass9.2 将处理完的数据绘制成地形图，经过检核与修改得到最终成果。 规范落实：GBT 12763.10-2007 海洋调查规范 第 10 部分：海底地形地貌调
15、查与深圳市海洋基础调查一期技术设计书（06.25 最终稿） 所规定的准则与要求贯穿整个工作流程，每次工作前必须先对仪器进行检查，确保一致性与稳定性；在测量工作中，控制船速与航迹，监测波浪高度，保证测线的走向与获取数据的精度；处理数据时，需要先将数据的平差结果与精度指标进行校对，确保无误后再开始制图，并最终检验成图效果。 3 实际工作流程与获得成果 3.1 资料收集 本次东部海域调查范围位于东经 1141311439及北纬 22222242所包围区域。作业区域属亚热带海洋性季风气候区，温和湿润，长夏短冬，气候温和，日照充足，雨量充沛。年平均气温23.0，历史极端最高气温 38.7，历史极端最低气
16、温 0.2；年日照时数平均为 1837.6h；年降水量平均为 1935.8mm，全年 86%的雨量出现在汛期（49 月） 。测区南临香港海域，东临惠州海域，近海潮汐属于不正规半日潮。整个测区水域来往船只频繁，且船舶吨位较大。陆上经济发达、交通便利。 3.2 测深线布设 8根据查阅的相关资料，初步将 210m 水深的范围划归单波束测深区域，如图 5 所示。测深线的布设采用断面法施测，主测线按基本垂直等深线方向布设，如图 6 所示。主测深线间隔为图上 1.5cm，测点间距为图上 0.25cm。岛礁附近海底地貌复杂的海区，及需要详细探测的重要海区，测点间距缩短，岛礁周围视情况绕岛一到三圈。检查线的方
17、向与主测深线尽量做到垂直，且分布均匀，布设在较平坦处，能普遍检查主测深线。计划布设单波束主测线 3398km，检测线 220km。实际测量主测线3395km，检测线 251km；检查线总长达到主测深线总长的 7.4%。 3.3测点定位 根据本项目设备配置情况，在水下地形测量实施过程中，采用 GPS-RTK 与 DGPS 定位技术。测量前在已有 CGCS2000 成果坐标点上进行仪器精度测定，确保仪器精度符合要求，并进行仪器稳定性测试，确保仪器稳定可靠。对天宝 R10（星站差分机） 、C-nav3050（星站差分机） 、天宝R8（GPS-RTK）仪器精度测试，定位误差最大为 3cm，满足要求。水
18、下地形测量时，测深定位点间距为图上 0.25cm，地形变化剧烈处适当加密；定位点点位中误差均不大于图上 1.0mm。 3.4 测深仪器检核与精度确认 在组装测量船时，测深仪换能器安装在船体稳定处即船体中间部分，保持换能器垂直与水面，换能器安装牢固、作业期间没有滑动，波浪补偿器靠近测深仪换能器。 测深仪测前经过稳定性、一致性试验和静态比测，符合要求的仪器才投入使用；每天工作前都使用声速剖面仪测量作业区域的水中声速，9并对测深仪进行声速改正，取样由计算机每隔一段时间自动取样，由于测区范围内外界温度、盐度等因素对声速的影响较小，故测试时声速均设定为 1500m/s。 每天作业前后精确量取测深仪换能器
19、吃水，并使用测深杆在平坦的海床上对测深仪进行静态比测，最大测深比对误差为 5cm；在测区选择了一个海底平坦、底质较坚硬的海区，水深为船吃水的 7 倍左右，该海区能保证船只用各种速度航行，观测定位仪的固定位置与水深的差值三次以上，求二者平均得到测深仪动态比测，加上静态吃水，即为测量船只在常规测量航速下之动态吃水。 3.5 开展测量工作 在 AutoCAD 上布置好计划测线，并套绘已知资料中各地区海岸、岛屿、礁石的水边线，特别标明测量海区的暗礁、干出礁、危险礁、助航标志的位置及边线，再转换成测量导航文件。使用中海达导航软件，设置好定位参数和记录模式，连接好测深仪、定位仪、波浪补偿器、计算机，引导测
20、量船进入测线位置，按指定的测点间距进行测点定位和测深，并根据导航软件实时修正测量船航向，保证航线的准确性。 为了保障测量的精度与规范性，导航测深时必须满足： 测量船保持匀速、直线航行。 每天对测深仪进行时间校正，使测深仪时间标记与定位时间保持同步。 对海底地形变化剧烈的地区，进行加密测量，加密的程度以完整反应海底地形为原则，采集水深点的间距为 5m 或 10m。 10测量过程中测量船前后左右摆动过大，当风浪引起测深仪回声线波形起伏较大时、波浪超过 0.6m 时暂停作业。 检查线的测量方法及测量精度与主测线相同。检查线的定位点间距根据测量比例加密，保证与主测线有重合点（图上 0.5mm 内） 。
21、 3.6 处理定位数据与水深数据 在处理定位数据时，首先进行位置偏心改正，当定位中心与测深中心两者水平位置不重合时，根据测定的偏心距进行测点位置归算。然后进行粗差数据剔除与改正，对时间出现异常的测点进行时间修正；对位置或者水深出现异常的测点，当异常点小于 2 个时，由于不影响成图，后续处理直接剔除，当大于 2 个时，按照规范重新进行测量，直至符合规范要求。 在水深数据处理时，首先进行水深数据检查校对，由作业人员对卫星数、卫星质量、测深数据等要素进行校核，对水下地形测量中漏测地形特征点根据测深仪测深迹线按坐标进行内插；然后按测定记录的静、动态吃水参数进行换能器吃水改正；再根据校对法或声速剖面仪获取的声速改正数进行改正；如果所测数据受到风浪影响较大，则必须在进行海底高程计算前，采用消浪软件对水深点进行消浪处理，对所有测线记录水深数据进行校对，剔除或修正粗差点，并对波浪部分进行平滑处理。使用中海达海洋测量软件对经合理修正后的水位文件及断面数据文件，采用三角分带解析法求解各断面测点的海底高程，并用同样的方法计算检查线测点高程。最后，统计主测线测点与检测线测点重合点（图
