CARIS HIPS软件中输出多波束水深成果分析

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一、引言

水深是最为重要的海洋环境要素之一,也是海洋测绘中必须要获取的数据。水深的准确性对舰艇航行安全、海底地形构建、潜艇水下定位、渔业生产以及海上工程规划等都具有非常重要的作用。当前,主动式声波探测是实际水深数据获取的最主要方式,主要包括单波束水深测量,多波束水深测量,以及侧扫声纳等。与单波束回声探测仪相比,多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点,多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值,实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越,因此成为海底地形探测的主要方式。在中远海调查测量中,多波束水深测量已经成为不可或缺的手段。但是多波束的数据处理也相应比较复杂。

海测技术▏CARIS HIPS软件中输出多波束水深成果分析

目前,多波束获取的水深数据多在Caris系统中进行后期处理,最终生成如:包含纬度、经度、水深值的ASCII成果,最终输出到水深成图软件(如:海洋测量处理信息工程软件)中进行水深成图。每条测线,多波束测深系统都采集到成千上万个数据,最终生成ASCII成果的只能是很小一部分,如何根据比例尺、水深值的大小、项目要求等因素,恰当合理的输出ASCII成果成为很关键的环节。

二、多波束水深成果获取流程

多波束测深系统是利用安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的海底发射超宽声波束,接收海底反向散射信号,经过模拟/数字信号处理,形成多个波束,同时获得几十个甚至上百个海底条带上采样点的海底信息,与现场采集的导航定位及姿态数据相结合,从而得到高精度的海底水深数据。图1为Caris处理多波束数据流程。

CARIS HIPS软件中输出多波束水深成果分析

图1  Caris处理多波束数据流程

由于caris生成等值线图与水深图并非标准格式,因此,在实际操作中通常将caris输出的水深数据ASCII成果(txt文件)加载到海洋测量处理信息工程中进行进一步处理。主要是进行数据抽稀、等深线勾绘处理等过程,最终实现标准格式的水深图版输出。

HIPS中可以输出10余种数据格式的数据,不同的数据输出格式有不同的输出向导形式,这里以最常用格式Hips to ASCII的数据输出步骤,说明设置“Bin”值和抽稀水深数据参数选择。设置“Bin”值:即按需要每隔多少米转换一个水深数据。设置值要合适,一般设置为图上一厘米对应实地距离的十分之一,比如比例尺为1:100000,设置值推荐100;抽稀水深数据:按指定的 Grid Size(m) 做 Data Thinning,Shoal Biased(在每个 Grid 中保留一个最浅点),Deep Biased(在每个 Grid 中保留一个最深点)。

三、不同选取方法水深成果对比

以某综合海洋调查测量船2018年在印度洋某海域SeaBeam3050型中浅水多波束测深系统(数据一为浅水海域)和SeaBeam3012型深水多波束测深系统(数据二为深水海域)数据为例,进行对比。

在CARIS HIPS and SIPS ExportWizard-step 6 of 7步骤Data Binning环节中的Bin值分别取500m和50m以及Binning选Shoal Biased和Deep Biased,共4种情况。

⒈SeaBeam3050型中浅水多波束测深系统采集的浅水海域数据情况

水深范围约17-30m,测线长12276m,测量时海况为2级。图1、图2分别为Bin值500m时选Shoal Biased和Deep Biased的界面。表1为Bin值分别取500m和50m、Binning选Shoal Biased和Deep Biased时数据对比情况。

CARIS HIPS软件中输出多波束水深成果分析

图1 网格大小为500m时保留一个最浅点

CARIS HIPS软件中输出多波束水深成果分析

图2  网格大小为500m时保留一个最深点

表1:SeaBeam3050型中浅水多波束Bin值取500m和50m、Binning选Shoal Biased和Deep Biased时数据对比情况

水深选取

方式

Bin值500m

Shoal Biased

Bin值500m

Deep Biased

Bin值50m

Shoal Biased

Bin值50m

Deep Biased

平均水深值

27.4m

29.9m

28.7m

30.1m

最浅水深值

17.75m

19.92m

17.75m

19.34m

水深差值

2.17m

1.59m

实地距离差值

226m

113m

最深水深值

38.08m

40.37m

39.10m

40.37m

水深差值

2.29m

1.27m

实地距离差值

770m

42m

⒉SeaBeam3012型深水多波束测深系统采集的深水海域数据情况

水深范围约3600~4570m,测线长57010m,测量时海况为2级。表2为Bin值分别取500m和50m、Binning选Shoal Biased和Deep Biased时数据对比情况。

表2:SeaBeam3012型深水多波束Bin值取500m和50m、Binning选Shoal Biased和Deep Biased时数据对比情况

水深选取

方式

Bin值500m

Shoal Biased

Bin值500m

Deep Biased

Bin值50m

Shoal Biased

Bin值50m

Deep Biased

平均水深值

4258.9m

4290.7m

4268.2m

4268.9m

最浅水深值

3606.83m

3622.68m

3606.83m

3606.83m

水深差值

15.85m

0m

实地距离差值

631m

0m

最深水深值

4570.38m

4572.96m

4572.97m

4572.97

水深差值

2.58m

0m

实地距离差值

338m

0m

⒊不同筛选方式对选取水深的影响

通过上述数据分析对比可以看出,不同的水深选取方式对水深值影响如下:

⑴对浅水区域的影响大于深水区域

如:当网格大小为500m时,在浅水区域(共35组数据),留浅的平均水深值为27.4m,留深的平均水深值为29.9m,两者平均水深差值为2.5m,为水深值的8.7%,远超深度测量极限误差(20m<水深值≤30m,极限误差±0.4m)的数值;两者最浅点、最深点的实地距离差值分别为226m、770m。

当网格大小为500m时,在深水区域(共3904组数据),留浅的平均水深值为4258.9m,留深的平均水深值为4290.7m,两者平均水深差值为31.8m,为水深值的0.7%;两者最浅点、最深点的实地距离差值分别为631m、338m。

⑵网格值选取大时影响大于网格值选取小时

如:在浅水区域(平均水深29.0m),网格大小为500m(共35组数据)时,留浅、留深平均水深的差值为2.5m,网格大小为50m(共774组数据)时,留浅、留深平均水深的差值为1.4m。

在深水区域(平均水深4270m),网格大小为500m(共3904组数据)时,留浅、留深平均水深的差值为31.8m,网格大小为50m(共113654组数据)时,留浅、留深平均水深的差值为0.7m。

四、结束语

从前面分析可以看出,在多波束水深数据输出过程中,如果输出水深值时选取方法不同,对水深成果的影响不容忽视。在水深测图中,水深取舍优先选浅点水深,这是水深综合的一项原则,也是保证航海安全的一种手段。多波束成果输出,Binning选Shoal Biased(留浅);Bin(网格大小)值,尽量选小一点,尤其是在海底地形变化复杂情况。理论上讲,网格间距可以设置得很小,但在实际运用过程中必须考虑到计算机的运行能力;过小的网格间距经常使得处理过程非常漫长,甚至还经常导致计算机无法运行,出现死机现象。

在疏浚、填挖、打桩等工程施工中,要具体情况具体分析,采取合理的选取方式,有时可把几种方式都输出,做数值对比或综合使用,确保施工精度、工作量、工期、预算等指标,合理、准确。

【作者简介】本文作者/柴永平 张启国 武海浪,均来自91937部队,参考文献略

原文始发于微信公众号(溪流之海洋人生):海测技术▏CARIS HIPS软件中输出多波束水深成果分析

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