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论文专区▏侧扫声纳在水下坡脚线位置探测中的精度分析

孙玉超等 溪流之海洋人生 2023-05-07
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一、引言

填海造地指筑堤围割海域填成土地,并形成有效岸线的用海方式[1]。根据国家海洋局2009年印发的《海籍调查规范》(HY/T 124-2009),填海工程用海范围:①岸边以填海造地前的海岸线为界;②水中以围堰、堤坝基床或回填物倾埋水下的外缘线为界。填海工程水下外缘线又称为水下坡脚线,其平面位置测量精度在近岸海域应优于1m[2]

目前,填海工程水下坡脚线位置探测主要依靠侧扫声纳系统来完成[3],通过获取水下坡脚线附近的清晰声图后,并加以分析处理,然后从声图上提取坡脚线,从而获取其准确位置[4]

本研究对侧扫声纳水下目标探测位置误差来源进行分析,通过采取有效措施可以减小水下坡脚线位置探测误差,并将其运用到实际工作中,提高了水下坡脚线位置探测精度。同时,结合实际工作,对侧扫声纳水下坡脚线位置探测精度进行了验证。

二、侧扫声纳系统介绍 

侧扫声纳系统应用回声探测原理,并综合声学、数字信号处理、导航定位和计算机等技术,对海底微地貌和目标物进行探测,并获取海底及目标物的声图[5-6]。目前,侧扫声纳已经在海洋测绘、海洋地质调查、海底管道探测及水下沉船沉物探测等多个方面得到了广泛的应用[7]

侧扫声纳较多的应用于海底地貌和目标探测,而在近岸水下目标位置探测方面的应用较少。在常规的拖曳式扫海作业中,由于水深及作业方式等因素的影响,侧扫声纳探测的海底目标定位存在较大的误差[8]。近年来,随着填海工程竣工验收工作的开展,侧扫声纳逐渐应用于填海工程水下坡脚线位置的精确探测[4]

本研究采用的侧扫声纳系统是美国Marine Sonic公司的Sea Scan HDS双频侧扫声纳系统。主要技术参数如下测量频率:300kHz900kHz;测量范围:200m(300kHz)40m(900kHz);垂直波束角:40°(300kHz)和40°(900kHz);最大工作深度为600m;最大航速为5.7垂直航迹线方向分辨率为29cm(300kHz)和7.8cm(900kHz)

三、侧扫声纳水下目标探测误差分析与评估

⒈ 侧扫声纳水下目标探测位置误差来源分析

侧扫声纳在作业过程中,由于船体摇晃、船速不稳定、声速变化以及目标探测物形状等因素影响,会造成拖鱼定位不准以及获取的声图存在几何变形等问题[9-10],这些问题将直接导致水下目标探测位置误差过大。

⑴拖鱼定位误差

侧扫声纳作业时,GPS天线固定在于测量船上,拖鱼以水下拖曳的方式通过拖缆与测量船连接。通过放缆长度、拖鱼深度以及甲板与水面距离计算拖鱼与测量船之间的相对位置,从而实现拖鱼定位。但实际作业时,拖缆在水下并非直线,其姿态会受到流速、船速等因素的影响而变化,因此在水深较大、放缆较长的作业区域拖鱼定位精度会大大降低;而水深较浅、放缆较短的作业区域拖鱼定位则相对准确[5]

⑵声纳图像几何变形

侧扫声纳系统生成的声图并不是严格按比例记录海底地貌,由于测量船速度、声速变化,波束倾斜和海底地形等多种因素影响,声纳图像在横向和纵向上都存在不同程度上的变形,从而扭曲了海底目标物的真实形态[10]

①船速产生的变形

在侧扫声纳的声图中,由于量程固定,横向记录的比例也是固定的,但纵向记录比例会随测量船速度的变化而变化。因此,声纳图像中横向和纵向记录比例不一致,导致被探测物形状失真[5],船速产生的变形对声图纵向变形影响较大。

②声速变化产生的变形

由于海水盐度、温度和压力的变化,声波在不同区域的海水中传播速度不一致,导致波束在海水中传播时路径产生弯曲[10],在声纳图像上表现为几何变形,声速变化产生的变形对声图横向变形影响较大。

③波束倾斜产生的变形

声纳拖鱼的换能器向海底发射扇状声波,并接收倾斜方向海底的反向散射声波,在声图上的扫描线反映的是换能器至海底的倾斜距离,因此横向记录随着与拖鱼距离的变化也会产生声图变形[11],波束倾斜产生的变形对声图横向变形影响较大。

④海底地形产生的变形

测量船垂直海底倾斜面走向扫测时,拖鱼两侧波束覆盖范围不同,但图像横向宽度是为固定的。靠海底倾斜面一侧覆盖的范围小,横向比例放大;靠另一侧覆盖的范围大,横向比例缩小[11]。因此,海底地形引起变形对声图横向变形影响较大。

⒉ 侧扫声纳水下坡脚线位置探测精度提高措施

侧扫声纳探测水下坡脚线时,不但要获取比较清晰的水下坡脚线声图,更要获取其精确的地理位置。根据侧扫声纳水下目标探测位置误差来源以及实际作业经验,需要从以下几方面来提高水下坡脚线位置探测精度。

⑴提高拖鱼定位精度

通过选择较好海况作业、采用RTK定位和拖鱼侧挂安装可以有效提高拖鱼定位精度。

常规海上定位多采用信标机,但信标机定位精度远低于RTK定位精度,因此需要选用RTK定位。拖鱼安装时采用侧挂安装的方式,可以准确计算拖鱼位置,但这种安装方式受测量船姿态影响较大,因此建议在较好的海况下作业。

⑵减小几何变形误差

通过进行声速改正、采用高频波段作业、选择较短量程,缩小拖鱼与水下坡脚线距离、平行坡脚线作业及控制船速等方式可有效减小几何变形误差。

水下坡脚线探测作业区域水深一般较浅,声速变化较小,对声图变形的影响可以忽略,但声速值的大小直接影响水下坡脚线位置探测[4],因此,作业前应准确测量声速,并进行声速改正。作业时应选取高频侧扫声纳系统,且应选用高频波段作业,并设置较短的量程,以获取清晰的坡脚线。船只作业时应缩小拖鱼与水下坡脚线距离,平行坡脚线作业,减小波束倾斜产生的声图横向变形。控制船速可获取清晰的声图,并有效减小声图纵向变形。另外,新型的侧扫声纳拖鱼一般内置了姿态传感器,声纳图像处理软件也都带有斜距校正功能[5],因此,通过数据处理也可以减小几何变形。

⑶来回扫测提高位置精度

水下坡脚线探测作业时,对同一位置水下坡脚线来回扫测[4],可以有效减小拖鱼定位误差和几何变形误差,从而提高水下坡脚线的位置精度。

⒊ 侧扫声纳水下坡脚线位置探测精度评估

根据以上分析可知,水下坡脚线位置精度主要受以下几个因素影响:①拖鱼定位精度;②声图几何变形误差;③坡脚线提取精度。

RTK定位精度优于2cm[12],拖鱼采取侧挂安装,拖鱼与GPS相对位置量算精度优于2cm,再考虑测量船运动过程中拖鱼位置微小晃动,因此,拖鱼定位精度优于4cm。

声图几何变形误差主要受风浪、水深以及坡脚线形状等因素影响,对于较好海况下,相对平直的坡脚线,其几何变形经斜距改正后误差可以忽略。

水下坡脚线提取精度主要受声图垂直航迹线方向分辨率影响。根据侧扫声纳仪器参数,900kHz工作频率下获取的垂直分辨率为7.8cm,而坡脚线提取精度为2个像素,因此,水下坡脚线提取精度优于16cm。

根据误差影响“忽略不计原则”[13],拖鱼定位误差小于1/3倍坡脚线提取误差,因此拖鱼定位误差也可以忽略。因此,水下坡脚线位置误差为16cm,满足《海籍调查规范》中坡脚线误差小于1m的要求。

以上结果仅从理想海况下分析了水下坡脚线位置探测精度,并未考虑测量船姿态变化导致的定位误差和声图几何变形。在实际作业中,由于风浪引起的测量船姿态变化导致的声图几何变形误差才是侧扫声纳水下坡脚线探测位置误差的主要来源。因此,在实际作业过程中侧扫声纳水下坡脚线位置探测精度能否满足《海籍调查规范》中水下坡脚线的位置精度要求,还需要进一步验证。

四、侧扫声纳水下坡脚线位置探测精度验证

本研究通过使用侧扫声纳对直立式码头水下坡脚线进行扫测,并采用RTK测量码头坡顶线,通过坡顶线和坡脚线的对比,验证侧扫声纳水下坡脚线位置探测精度。

⒈ 直立式码头水下坡脚线声图获取

本研究区域选取揭阳市惠来县石化区新建的一个直立式码头,码头长约180m,低潮时水深约10m。为减小风浪对测量船姿态影响,本次水下坡脚线侧扫选择在3级海况下作业。作业前测量的海水声速为1517m/s,并在侧扫声纳软件中对声速值加以改正。

水上定位采用美国Trimble R10 GPS系统,采用单基站RTK作业模式,一台GPS架设在岸上已知控制点上作为基准站,另一台GPS架设在船上导航定位。拖鱼采取侧挂安装方式,在测量船侧面架设一根支架,将拖鱼用拖缆挂在支架上,见图1。用卷尺量取拖鱼悬挂点位置和GPS天线相对位置,将GPS定位中心归算到拖鱼位置。

图1 侧扫声纳及GPS测量船上安装示意图

作业时,侧扫声纳工作频率选择900kHz,量程选择40m。作业时测量船尽量平行坡脚线行驶,船速约4节[14],测量船距离坡脚线约30m。为提高水下坡脚线扫测精度,测量船对码头水下坡脚线来回扫测,获取了来回2幅水下坡脚线声图,见图2。

图2 侧扫声纳获取的水下坡脚线声图

⒉ 水下坡脚线声图处理及坡脚线提取

直立式码头水下坡脚线声图获取后,采用美国Chesapeake公司的SonarWiz侧扫声纳后处理软件进行处理。经过底跟踪处理、声图几何校正以及坡脚线提取等步骤,获取了直立式码头来回2条水下坡脚线数据。

⒊ 直立式码头侧扫坡脚线位置精度分析

将从声图上获取的直立式码头来回2条水下坡脚线与RTK实测的直立式码头坡顶线绘制到AutoCAD软件中。侧扫坡脚线每每隔20m左右提取一个界址点,即各取10个界址点,通过量算各界址点到坡顶线的垂线偏差来分析测量精度,见图3和表1,界址点在坡顶线线外侧取正值,内侧取负值。

图3  坡脚线界址点与坡顶线偏差折线图(单位:m)

表1  坡脚线界址点与坡顶线偏差表 单位:m

点号

坡脚线A

坡脚线B

P1

0.39

0.49

P2

0.12

0.69

P3

0.08

0.72

P4

0.16

0.82

P5

0.25

0.70

P6

0.23

0.93

P7

0.42

0.97

P8

0.29

0.69

P9

0.57

0.34

P10

0.71

0.57

最大值

0.71

0.97

最小值

0.08

0.34

平均值

0.32

0.69

中误差

0.37

0.72

通过以上分析可知,来回2条侧扫坡脚线界址点与坡顶线垂线偏差值均在1m以内,其中坡脚线A中误差为0.37m;坡脚线B中误差为0.72m。综合二者数据,来回2条坡脚线中误差为0.57m,即侧扫坡脚线位置实际探测精度约为0.57m,满足《海籍调查规范》中坡脚线位置精度优于1m的要求。

五、小结

本文从侧扫声纳技术特点出发,通过分析侧扫声纳水下目标探测位置误差来源,有针对性的提出了几项改进措施,能有效提高水下坡脚线位置探测精度,并应用到了填海工程水下坡脚线位置探测工作中。应用结果表明,侧扫声纳在填海工程水下坡脚线探测中的位置精度满足《海籍调查规范》中水下坡脚线平面位置精度要求。

在今后的填海工程水下坡脚线位置探测工作中应当制定相关的作业规范及数据检查方法,确保数据精度满足相关要求。另外,还可以结合浅水多波束系统进一步验证侧扫声纳在复杂海岸水下坡脚线位置探测中的精度。

参考文献:

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[14]孙宇佳,刘晓东,张方生等.浅水高分辨率测深侧扫声纳系统及其海上应用[J].海洋工程,2009,27(4):96-102.

【作者简介】第一作者孙玉超,1987出生,男,湖南益阳人,国家海洋局南海规划与环境研究院,工程师,硕士,主要从事海洋测绘、摄影测量和GIS开发研究;本文来自《海洋测绘》(2018年第2期),若其他公众平台转载,请备注论文作者,并说明文章来源,版权归《海洋测绘》所有。


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