营口港多锚地水下地形探测方法研究

营口港多锚地水下地形探测方法研究

0水下地形情况探测及测量规划中的焦口港位于辽宁省东部的沿海地区，东与辽宁省的沿海地区接壤。营口港是国务院审批通过的辽宁省“五点一线经济带”发展规划的核心之一,是我国东北地区及内蒙东四盟腹地最便捷的出海口,现辖营口、鲅鱼圈和仙人岛3个港区。本次工程根据营口港鲅鱼圈港区和仙人岛港区的发展需要,对营口港多个锚地范围内水下地形情况进行探测,以避免锚地使用后对泊锚船只造成不必要的损害,同时也为规划锚地使用提供详实的水深及海底基础信息资料。为了准确探测锚地区域水下结构的具体情况,本次工程采用Edgetech4200-FS型高分辨率数字侧扫声呐进行总体水下情况探测,采用Odom单波束测深仪进行水深数据采集,采用R2Sonic2024型多波束测深系统进行水深测量。并将探测的结果相互比较、分析,最后与人工水下探摸的结果进行比对,提高探测结果的准确性和可靠性,也为今后提高侧扫声呐图像判读和多波束探测成果的准确推断提供详实的资料。1测量方法1.1海洋海道测量定位根据工程要求,平面控制采用1954年北京坐标系统,GPSWGS-84系坐标与1954年北京坐标的转换采用国家统一规定使用的转换参数进行,能满足海道测量规范精度要求。测量定位设备选用美国天宝公司生产的TrimbleDSM-232DGPS接收机,定位方式采用RBN/DGPS差分定位。深度基准面采用理论最低潮面。水深数据潮汐改正采用潮汐推算订正软件进行,基本订正站为鲅鱼圈水位站(采用国家海洋局海洋站零点)。校核水位站为仙人岛水位站。水准点至鲅鱼圈水位站水尺零点按规范要求进行四等水准联测,确定水尺零点与理论最低潮面间的关系。1.2声充电缆拖放长度以侧扫声呐实施全覆盖扫海,同时以单波束测深仪测深。声呐扫海测量拖曳方式采用尾拖,拖放电缆长度20～30m(视声呐影像图清晰连续效果可适当调整电缆拖放长度)。声呐扫海作业测线间距50m,单侧量程100m,船速控制在5节内。单波束水深测量与声呐作业测线间距相同。发现可疑浅点及障碍物用声呐进行精扫及多波束进行加密扫测。1.3参数配置1.3.1声的前置电子电路根据Edgetech4200-FS型高分辨率数字侧扫声呐系统的技术特点,4200-FS侧扫声呐系统将关键性能和安全特性集成在一起,具有双工作模式并配备了EdgeTech的第二恢复系统;标准的艏向、纵摇和横摇传感器。4200-FS应用EdgeTech的全频谱chirp技术得到宽频带、高能量发射脉冲和高分辨率、高信噪比的回声数据。该系统采用了宽频带、低噪声的前置电子电路,使由仪器引起的相位误差和漂移减小到可以忽略的水平。其主要技术指标如下:频率:120/410kHz双频;调制方式:全频谱Chirp调频脉冲,可通过加权技术对发射脉冲进行处理;工作量程(最大):120kHz时,单侧500m,410kHz时,单侧150m;最大安全拖曳速度:HDM模式下4.8节,HSM模式下9.6节;脉冲长度:120kHz时为20ms,410kHz时为10ms;横向分辨率(HDM模式):120kHz时为8cm,410kHz时为2cm;纵向分辨率(HSM模式):120kHz时200m量程为2.5m,410kHz时100m量程为0.5m;水平波束宽度(HDM模式):120kHz时为0.64°;410kHz时为0.3°;水平波束宽度(HSM模式):120kHz时为1.26°;410kHz时为0.4°;数据通讯链:4MB/s,4通道侧扫数据+传感器数据;俯角:向下倾斜20°;垂直波束宽度:50°;工作深度:1～1000m;艏向/纵横摇传感器:艏向精度<1.5°RMS;艏向分辨力:0.1°;纵横摇角度精度:±0.4°;纵横摇角度重复精度:0.2°;纵横摇角度分辨率:0。1.3.2航道边坡测深系统指标检测系统安装在测量船上,以R2sonic2024换能器安装杆与海水面交点作为参考点建立船体坐标系,定义船右舷方向为X轴正方向,船头方向为Y轴正方向,垂直向下为Z轴正方向(在CARISHIPS处理系统中),量取各传感器相对参考点的位置,往返各量一次,取其中间值。R2sonic2024多波束系统安装校准在航道边坡进行,航道水深与自然水深坡度明显,边坡两侧地貌平坦有利于多波束参数校准。测定GPS定位仪相对于测深系统的时间延迟,多波束系统换能器的初始安装角。通过水深变化大的海区同线同向倍速(相差一倍以上)的多波束中央波束测量数据测试时延,通过海底平坦海区同线同速反向的条带断面测量数据测试换能器的横摇(Roll),通过水深变化大的海区同线同速反向的中央波束测量数据测试换能器的纵摇(Pitch),通过水深变化大的海区异线(间距为覆盖宽度的2/3的两条测线)同速反向边缘测量数据测试换能器的首摇(Yaw),测试时采集多余观测数据,最后取其平均值。其主要技术指标如下:发射频率:200～400kHz;最大频率:75Hz;波束宽度:0.5°×1.0°(400kHz)、1.0°×2.0°(200kHz);波束开角:10°～160°;信号频带宽:60kHz;水深点个数:256;波束间距:等角模式;测深范围:1～500m;深度分辨率:1.25cm;脉冲长度:10μs～1ms;功率:50W。1.4基础数据采集本次测量过程中单波束水深测量时使用HYPACK测量软件进行航迹线定位数据和水深数据的实时采集,其中定位数据采样间隔设置为1s,水深数据采样间隔设置为200ms。侧扫声呐数据使用系统随机安装的软件进行数据采集,当发现图像显示异常时,实时打标,并进行记录和初步判读。声呐扫海作业主测线方向基本为东西向,严格按照布设测线间距进行扫海测量,严格把船速控制在5节以内,确保采集的数据真实,图像清晰。多波束系统数据采集,对于侧扫声呐发现的可疑浅点或碍航物采用多波束系统扫测,多波束扫海测量外业数据采集软件采用PDS2000软件。1.5下潜探找作业导航定位软件采用HYPACK软件进行。先以单波束测深仪对所要下潜位置水深及可疑碍航物或浅点进行测量复核,再由测量人员进行准确定位并进行浮标抛设作业,以抛设的浮标做为下潜引导标志。潜水作业人员根据测量人员在海面抛设的浮标,在高、低平潮前后1h内进行潜水探摸作业。本次下潜探摸作业,测量人员根据侧扫声呐和多波束测量数据及图像对所要下潜探摸的区域进行精心筛选确定了多处需下潜探摸的区域。对于孤立的浅点或碍航物由潜水员直接下潜探摸其性质,部分浅点区进行了水下取样。对于散落物区域由于范围较大只针对目标较大或水深较浅的位置进行下潜探摸,以形成对整个散落物区域的浅点性质的确定。2数据处理和分析2.1测深纸比对单波束水深数据处理使用海测大队编制的数据后处理软件《海测之星》,进行数据转换,水深数据按照规范要求进行筛选(根据测深纸选点间距为1∶1000比例尺选取),进行采集数据与测深仪记录纸的比对,对比对后的水深点进行测量船静吃水、动吃水、器差、潮汐改正,得到理论最低潮面上的水深。最后根据得到的水深绘制各个锚地的水深图,通过水深与海图水深比对分析,从而得到锚地现在水下地形资料,既简化了因数据量过大带来的繁琐工作,也满足了对营口港锚地的水下地形资料的需求。2.2海底超声影像的认知在声纳扫测工作中,最重要的工作当然是声学图像的判读了。对声学图像判读的正确与否,直接决定本次扫测工作成果的可靠程度。而对于声学图像的判读在很大程度上则取决于测量人员的经验和对声图的认知程度。影像很容易与海底的特殊底质、散落的贝壳、垃圾或干扰影像相混淆而发生误判。侧扫声纳是向测量船两侧发射倾斜的超声波束,来探测测量船两侧一定面积海域内的水下障碍物和海底地貌,它可以提供类似于航空摄影的海底表面的声学图像,可以比较迅速地确定海底障碍物的概略位置和高度。但由于工作原理上的缺点,侧扫声纳不能精确的测定障碍物的大小和形状,尤其是对于较小的目标,如果只依赖声纳图像来判定目标是很容易发生误判和漏判的,所以我们在对外业采集的数据进行反复回放的同时,结合现场记录和测深仪测量数据进行综合判读。2.3/古标本-3.2数据清理处理R2sonic2024多波束数据时先将PDS2000采集的原始数据转换成RePDS格式,然后利用HIPS软件进行处理。在HIPS软件中,作业过程如下:先用CARIS/HIPS6.1软件对多波束水深数据进行人机交互清理(LineMode和SubsetMode),剔除粗差,过滤虚假信号。再做SUBSET模式下的数据清理:根据测区测线布设情况,平均每4～6条测线为一组,逐区进行数据清理。水深初压缩:多波束系统采集水深数据量极大,因而在开始制图编绘工作之前,需压缩掉相互重叠或超稠密的水深,压缩时保留最浅水深(在GIS4.4中分两次压缩,首次以软件默认的2mm水深间距压缩,第二次以6mm水深间距压缩)。把数据输入CARIS成图文件中,在浅点区域用多波束数据生成三维图像。2.4妨碍航物的判定本次测量中在锚地声呐扫海测量中共发现多处可疑浅点或碍航物,经综合分析判断确定了几个潜摸点,下列各图像中(图1～5)左侧为声呐扫测图像,右侧为多波束数据生成的三维图像。图1:从声呐图像中很难判断出这是什么,经过对加密多波束数据的分析也只能认为这是一处碍航物,最后经过水下实地探摸证实该碍航物为渔网堆。图2:从声呐图像中很容易看出这是一个长方形的物体,结合调查收集的资料,我们初步判断为以前丢失的集装箱,最后经过水下实地探摸也确实证实该碍航物为集装箱。图3:该图像清晰,但单从图像中也不能判读为碍航物,经过对该处多波束数据分析我们认为这是一个坑,为了证实判断结果,我们经过水下实地探摸证实了该碍航物为泥坑而并非碍航物。图4:最后经过水下实地探摸证实该碍航物为散落硬泥堆。图5:最后经过水下实地探摸证实该碍航物为木质渔船残骸、渔网堆、2口小铁锚。3比较结果分析针对锚地的特殊情况,本次营口港锚地采用了多手段扫海综合测量,应用了多种方法和设备进行实