论文专区┃黄浦江航道多波束测深数据处理研究

【编者按：本文针对上海世博会对黄浦江航道核心水域高精度海底地形的需求，采用SeaBat 8125多波束测深系统对该区域进行了全覆盖测量。通过潮汐基准面归算、潮汐改正精度内符合检验、原始数据各项改正、除噪处理及测深误差分析等几个步骤，得到基于吴淞零点的最终水深成果。各项检验表明，此次多波束测深成果质量满足实际需求。文章发表在《海洋测绘》2011年第3期上，对多波束测深数据处理及误差分析方面进行分析并得出结论，具有很强的实用性，现编发供朋友们认真阅读分享。陆秀平，男，1973年出生，江苏兴化人，博士，主要从事海洋测量数据处理理论方法研究与软件系统开发。】

文/陆秀平 边少锋 黄辰虎 吕摇良 蒋红燕 巫贤虎

1、引言

黄浦江航道核心水域位于黄浦江中段，长约10km、宽约0.5km，是举办2010上海世博会开幕式的重要场所。为实现该区域全覆盖水深测量并获取高精度海底地形图，经论证后测深设备采用SeaBat 8125多波束测深系统，其主要精度指标为：每呯包含240个波束点，每个波束宽度是1°×0.5°，测深分辨率为6mm，测深精度符合IHOS-44特级标准要求；定位设备采用中海达HD8500型差分DGPS；姿态测量设备采用iXSEAO ctans光纤罗经；声速测量设备采用AML SVPPlus声速剖面仪。由于黄浦江航道内不同位置处潮时差、潮差比等潮汐参数存在着变化，为保证潮汐改正准确可靠，在测区两端还分别布设了川杨河和南浦大桥两个人工验潮站用于水位控制，并通过与黄浦公园长期验潮站进行水位同步观测，获得相关数据以用于潮汐基准面归算及多波束测深数据潮汐改正。

关于多波束测深数据处理及误差分析方面，国内外多有讨论。本文重点在于对具体实测数据进行分析并得出实用结论。

二、潮汐基准面归算及潮汐改正精度内符合检验

⒈ 潮汐基准面归算

黄浦江航道潮汐性质为不规则半日潮港，潮差在2.0～3.0m之间，日潮不等现象比较显著。航道不同位置处潮差比、潮时差等潮汐参数是不同的，考虑到航道长度及其形状，最佳水位控制方式设计为在测区两端分别布设人工验潮站实行两站改正。在潮汐观测时，通常使用的基准面包括平均海面、理论最低潮面、验潮零点以及历史零点等。因此进行潮汐改正前需对各验潮站的潮汐基准面进行统一归算。

平均海面包括日平均海面、月平均海面、年平均海面及多年平均海面等，这里特指多年平均海面。多年平均海面具有较大的空间尺度，对于黄浦江航道核心水域而言，可认为该区域各位置的多年平均海面处于同一个平面，本文对各验潮站基准面进行归算基于上述结论进行。由于黄浦公园长期验潮站多年平均海面为224.0cm(从吴淞零点起算)，因此依据同步改正传递数学模型如下，可确定各人工验潮站位置处的多年平均海面数值。

MSL_A-M_A=MSL_B-M_B

式中，MSL_A、M_A为黄浦公园长期验潮站的多年平均海面和短期平均海面；MSL_B、M_B为人工验潮站的多年平均海面和短期平均海面。上述三个验潮站在2010-03-16 08：40：00～2010-03-19 09：00：00 时段进行了同步观测，观测间隔为10min。由此根据上式可计算得到各人工验潮站基于验潮零点起算的多年平均海面数值，结果见表1。

为满足潮汐改正实际需要，还需将各人工验潮站从验潮零点起算的瞬时观测值统一归算至从吴淞零点起算，利用下述公式计算得到。

h_B=h_B0-MSL_B+224

h_C=h_C0-MSL_C+224

式中，h_B、h_B0、MSL_B分别为川杨河验潮站从吴淞零点、验潮零点起算的瞬时观测值及从验潮零点起算的多年平均海面数值；h_C、h_C0、MSL_C分别为南浦大桥验潮站从吴淞零点、验潮零点起算的瞬时观测值及从验潮零点起算的多年平均海面数值。

⒉ 潮汐改正精度内符合检验

潮汐基准面得到归算后即可利用作业期间同步观测的水位观测数据进行潮汐改正。多波束测深潮汐改正精度高低可通过三种方式来判断：一是在子区中直接观察潮汐改正前后，条带之间的拼接程度，这要求条带之间应有重叠带；二是计算主检比对相关数值，通过判断同一位置处深度互差量值来进行；三是对实测验潮站之间进行潮汐推算，通过推算精度指标来判断实测验潮站之间区域的水位改正值(潮汐推算值)计算精度，即最终的潮汐改正精度。前两种称为潮汐改正精度外符合检验，后一种称为潮汐改正精度内符合检验。除潮汐外，吃水、安装偏差、姿态、声速等多方面因素均会影响多波束测深精度，因此利用前两种方式进行潮汐改正精度外符合检验时，应排除以上因素的影响。利用后一种方式进行潮汐改正精度内符合检验时，应考虑验潮站之间区域是否存在潮汐性质突变、无潮点等特殊因素，若存在，则必须加设验潮站。对于黄浦江航道核心水域小范围而言，可认为潮汐性质是均匀变化的。

下面进行潮汐改正精度内符合检验：计算川杨河与南浦大桥验潮站及黄浦公园验潮站之间不同时段的潮汐比较参数，结果见表2～3所示，其中γ表示潮差比，ε表示潮时差，δ表示基准面偏差。

利用川杨河验潮站2010-03-17时段的实测数据结合表2～3有关参数，来推算南浦大桥、黄浦公园验潮站在该时段的数据并结合各自实测值检验推算精度，一方面可进行潮汐改正精度内符合检验；另一方面也可检验人工验潮站的潮汐观测精度。部分结果见表4及图1。图1 中，系列1表示南浦大桥验潮站推算误差，系列2表示黄浦公园验潮站推算误差。

由表4及图1数值可知，南浦大桥验潮站、黄浦公园验潮站的潮汐推算中误差分别为±2.73cm、±2.57cm，推算精度都较高，也说明人工验潮站的潮汐观测值是可靠的。此次潮汐改正原理实际上基于上述验潮站的当日潮汐比较参数，并结合实测数据来计算验潮站之间区域的水位改正值，因此这些水位改正值的精度还要高于两个验潮站相互之间的推算精度。由上也反映出，此次潮汐改正中误差可控制在±5.0cm。

三、多波束测深误差来源分析及数据处理

⒈ 多波束测深误差来源分析

多波束测深系统在水深测量过程中产生的测深误差由仪器自身及各种动态海洋环境因素(包括温、盐、密及风、浪、流等)引起，是多波束自身的测深误差、换能器静态吃水改正误差、换能器动态下沉量改正误差、换能器姿态补偿横摇改正误差、换能器姿态升沉改正误差、潮汐改正误差及声速剖面改正误差的综合体现。

声速不仅受水团运动而经常发生复杂变化，而且不同的声速结构将直接影响波束射线的空间路径，因此它是各项数据改正中最重要，同时也是最难控制的影响因素。声速改正效果影响因素概括为以下几点：表层声速测量误差；水体声速剖面时空变化幅度；换能器垂直升降运动。换能器垂直升降运动直接导致换能器表面声速不断发生变化，对于Em系列测深仪声速改正影响尤其明显。声速改正不佳对边缘波束影响较大，若声速改正不准确，海底地形将会发生对称形状的变化，该现象可通过人工声线折射功能纠正，但对于表层声速测量存在较大误差的情况，很难用该功能进行纠正。人工声线折射功能效果见图2。

从目前各种声速剖面反演研究进展来看，对于航道等特殊水域，对声速剖面从空间及时间两方面进行加密测量仍是最佳选择。本次多波束水深测量期间多次采集了声速剖面。

综合来讲，多波束测深成果质量高低可直观表现在以下几个方面。

⑴条带是否存在由于声速剖面控制不合理或表层声速测量不准确引起的凹凸现象；

⑵条带重叠处是否存在由于潮汐改正不合理引起的断层现象；

⑶条带是否存在由于换能器安装偏差特别是Roll测量不准确引起的条带一侧倾斜现象；

⑷条带是否存在由于涌浪滤波器补偿不足出现的绕中心波束左右运动或升沉现象。

另外，从多波束测量实践来看，即使在测量前准确进行了换能器的安装偏差测量及校准，但在测量过程中受外界环境特别是大风浪的影响，横摇等偏差仍会缓慢变化并导致测深条带出现一侧倾斜，因此在数据后处理时应根据地形走势、条带倾斜角度并结合测量时间分段加以补偿。

本文在对黄浦江航道核心水域多波束测深数据进行处理并评价其质量时，重点从以上几个方面进行。

⒉ 数据处理

此次外业测量历时5个工作日，获得多波束测深条带共计176个，声速剖面数据共计7组。数据采集软件为PDS2000，处理软件为CarisHips 6.1及海洋测量信息处理工程。获取的多波束测深条带航迹见图3，数据处理流程见图4。

根据测深仪器及其附属设备坐标、安装偏差等参数建立船配置文件，并将*.PDS格式原始数据导入CarisHips软件。对导航数据、姿态数据进行检查，若导航数据存在跳点、信号中断等，对跳点数据予以删除并根据实际情况进行补测；对姿态传感器测量的瞬时横摇、纵摇、艏摇等进行检查，若存在跳点和缺失应予以插补。

以下重点对声速、潮汐以及姿态改正效果进行讨论。

声速剖面测量数据见图5。

由图5(c)知，在水深0～2.0m区间，声速出现13m/s变化量，这与图5(a)、图5(b)在同等深度范围内声速变化量在1m/s～2m/s差距较大，经对条带数据进行检查，发现使用图5(c)数据进行声速改正后，该日所获取的条带数据出现整体上移，与其他条带拼接出现较大误差，经分析，该误差由表层声速测量误差引起，根据其余几个声速剖面的变化规律，对图5(c)修订后重新作声速改正，同一位置处水深符合程度较好，条带整体上移现象消除。

本次潮汐改正共设计了5个虚拟站，其中第1个虚拟站实际为川杨河验潮站，第5个虚拟站实际为南浦大桥验潮站。在计算各虚拟站位置及具体水位改正值时，不是直接在两个人工验潮站之间进行简单直线内插，而是还重点考虑了航道的“S”形走向，这对于提高潮汐改正精度也具有一定意义，如果测区潮差、潮时更大，此种设计效果将更明显。

对条带数据进行各种改正(静态吃水、姿态、声速、潮汐)及除噪处理后，部分条带拼接情况见图6，其中599.52表示第1个虚拟站到待观察子区的距离(单位：m)。图6反映出，经过各项改正后及粗差剔除后，在分条带拼接处出现4～7cm微断层。根据上节潮汐改正精度内符合检验以及待观察子区距离实测站不到599.52m的事实，可得出该微断层主要是由船速引起的动态吃水变化、静态吃水测量不准确、测量过程中由通行船舶引起的涌浪对换能器姿态等因素综合造成，与潮汐、声速关系不大。该微断层可反映多波束测深系统的内符合精度。

根据测量设备标称精度以及《海道测量规范》允许的极限误差规定，此次多波束测深成果满足规范要求。

四、结束语

通过测前精确测定并校准仪器安装偏差、过程中实时监控测深数据质量状况并及时采集姿态、声速、潮汐等数据、测后对原始数据进行各项严密环境效应改正以及相关处理等各项措施，得到该区域最终水深成果。潮汐改正精度内符合检验、条带拼接状况、海底二、三维地形图等各项检验表明，此次多波束测深成果质量满足实际需求。

从目前各单位具体测量作业来看，关于船速引起的动态吃水变化对多波束测深精度的影响研究较少。为了更好的反映海底微地形地貌，应进一步开展在动态吃水方面的研究，另外结合无验潮技术开展多波束测量方面的数据处理也将是作者下一步研究方向。

致谢：感谢上海海事局海测大队提供的黄浦公园长期验潮站潮汐数据及相关基准面信息。