多波束测量的精度控制与规范指标

梁志诚，黄文骞，魏　帅，吴　坚，张俊杰

(1.中国航海图书出版社，天津 塘沽 300450；2.海军大连舰艇学院 海洋测绘系，辽宁 大连 116018)



多波束测量的精度控制与规范指标

梁志诚1，黄文骞2，魏帅2，吴坚1，张俊杰1

(1.中国航海图书出版社，天津 塘沽 300450；2.海军大连舰艇学院 海洋测绘系，辽宁 大连 116018)

海底地形资料是海洋环境信息的重要组成部分，现阶段主要通过多波束测深系统以走航式手段获取[1]。目前，新一代多波束测深系统的换能器标称精度与分辨率等关键指标均已达到厘米级，因而影响系统测深精度的主要因素已经从设备本身精度转移到辅助测量精度以及作业组织的规范程度和成果评价的科学性、全面性上[2-3]。但我国现行的《海道测量规范(GB12327—1998)》对多波束测量作业过程尚未进行质量指标的界定，其测深精度指标只简单的对分段水深进行限差界定，最终的数据质量是否符合限差，要通过主测线与检查测线上交点水深的内符合精度来判断。这一传统做法不仅不能反映客观实际[4]，也不能全面指导实际的测量作业，导致在进行多波束测深作业时，测量人员对作业环境、辅助测量数据缺乏深刻的认识，难以对测量精度进行有效的控制。因此，急需建立更为有效的测量数据质量监控机制。

1测量限差与多波束测量等级指标

目前海洋水深测量的技术指标存在较大的模糊性，对实际测量作业没有全面的参考意义。通过对比国内外的各项技术指标，理清各种数据指标的关系和意义。

《海道测量规范》对测深限差(95%置信度)的要求见表1。

根据IHO S-44(5th)对水深精度的要求，以不确定度代替精度指标对测深数据进行质量评估，该指标是评价多波束测深数据的总指标。确定水深不确定度的关键在于概率分布和相应的置信域，以及标准差σ的获取。

表1　测深限差要求　m

在IHO S-44(5th)中，已假定测深数据服从正态分布，并要求置信度为95%。因此，水深总不确定度(TVU)为

式中:σDepth为水深标准差。

IHO对TVU的计算定义为

式中:a为不确定度中不随深度变化的部分;b表示不确定度中随深度变化部分的系数;d为水深。

在IHO S-44(5th)中，按照不同海区对航行安全的重要程度制定不同精度等级要求，并将其划分为4个等级(95%置信度)，见表2。

表2　S-44海道测量最低标准

《多波束水深测量技术规定》中，多波束水深测量分级精度指标见表3。

表3　多波束测量等级划分及精度指标　m

分析《多波束水深测量技术规定》对深度精度的规定，可以得出结论：通过一级多波束测量能够满足《海道测量规范》对测深限差的要求，而二级多波束测量的精度则不符合测深限差要求，见表4。

表4　多波束一二级测量在特定深度的精度指标　m

2多波束测量误差传播过程及精度分析

2.1随深度变化的不确定度

换能器横摇、纵摇、艏摇对测量数据的影响是不同的，其中横摇造成多波束测量的测深误差，纵摇和艏摇造成定位误差。横摇值误差1°水深为50 m的斜距上时，对测量成果产生0.6 m的误差；纵摇1°水深20 m时，将在航迹线方向上引起0.4 m的位移误差[5]。通过往返测量，可以计算横摇偏差的测量精度为±0.05°，在边缘波束上水深50 m处引起的最大测量误差大约为3 cm。20 m处的误差则为0.012 m，对测深数据不确定影响很小。因此，随深度变化的不确定度主要是声速和时间差引起，时间差的精确性较难评估而且误差很小，暂时不必考虑。

当前测量部门对声剖数据的评价没有一个直观的数值指标，一般通过控制时间和空间的测量间隙,尽量减小由于时空结构性差异引起的声剖数据误差。而在测量成果上，水深点一般选择距离最近的声剖数据进行水深计算，如果水深点在声剖变化较大的区域，相邻的声剖数据差异较大，则导致测深误差具有难以估计的不确定度。当声剖整体误差为10 m/s时，若海水中声速为1 500 m/s，则100 m的深度会有约0.67 m的测量误差。因此声剖数据的好坏很大程度上决定成果的质量，建立一个科学的声剖评价指标，不应该从测量间隙上考虑，而应该建立声剖数据的间隔差。

通过算式推导，可以得到

式中：v′为实测声速;v为实际声速，声速引起的测深不确定度为1.96×d′。

中误差的传播是通过不相关因子的中误差平方和来进行计算。可认为：1.96×(v′/v)=b，即v′=b×v/1.96。

在一般海区，海水声速一般约为1 500 m/s。因此可以大致推算出声剖测量数据中声速的中误差，如表5所示。

表5　声速中误差等级　m/s

2.2不随深度变化的不确定度

由《多波束水深测量技术规定》可知，验潮站水位观测误差不大于5 cm，一、二级精度水深测量时，必须实测水位；三、四级精度测量时，可用预报水位，预报水位的精度优于±25 cm，当水深大于200 m时，可不进行水位改正。

在沿岸海域的水深测量中验潮数据基本都与多波束测量同时进行，所以可以仅考虑观测误差，一般不大于5 cm。而在近海和远洋的浅水区域测量中，大多采用潮汐预报，精度优于±25 cm。

动态吃水一般观测误差也不大于5 cm，测量船航行时动态吃水变化的影响因素比较多，可以理解为动态吃水的不确定度为±5 cm。

升沉引起的不确定度的估计值可以由升沉幅度(1/2波高)乘以0.707计算得到[6]。假设沿岸水深测量条件是一、二级海况，波高为0.5 m，则升沉引起的不确定度为±0.176 75 m；近海水深测量(水深范围一般100 m左右)条件为三级海况，波高范围0.5~1.25 m，假设波高为1.25 m，则升沉引起的不确定度为±0.441 875 m。

在TVU的算式中，不随深度变化的部分主要由潮汐预报的不确定度、动态吃水的不确定度和升沉引起的不确定度构成。结合误差传播规律，可以得到细化的深度不确定度算式为

式中：e为潮汐预报不确定度；f为动态吃水不确定度；g为升沉不确定度。

因此，在有实测验潮数据，一、二级海况条件下的沿岸测量精度为

则表6为在20 m水深处的测深不确定度。

表6　20 m水深处的测深不确定度　m

在无实测验潮数据，三级海况的条件下的近海水深测量精度为

则表7为在100 m水深处的测深不确定度。

表7　100 m水深处的测深不确定度　m

对多波束一级测量而言，两种潮汐改正后的精度均符合海道测量水深限差要求。在大于100 m水深的近海进行测量，通过潮汐预报，采用一、二、三级声剖测量数据得到的测量结果符合限差要求。在20 m左右水深的沿岸多波束二级测量中，采用二级声剖数据，在波高0.5 m的条件下，测量精度超出限差要求，这种情况下可以通过降低声剖数据间隔差，或选择在海况好的环境下实施测量。

令

在有实测验潮数据的沿岸测量作业中，采用一级声剖数据，波高在0.707 m以内；采用二级声剖数据，波高在0.373 m以内，测量成果符合限差要求。

3历史测量数据等级划分与质量评价

在多波束测量作业中，等级的划分不是很明显，当前的测量部门对测量成果的评价指标主要是通过主检测深线深度点的比对来完成。

首先对不符值数列进行系统粗差检验，剔除系统误差和粗差后，再进行主检不符值计算。表8为2012年某测量数据质量评价结果。

表8　主检测深线深度点比对统计情况

该数值实质隐含了吃水、涌浪、声速、潮汐等多种动态海洋环境效应改正因素的综合影响，因此这些改正项是否精确和完善，通过主检比得不到很好的反映[7]。并且在全覆盖测量条件下，水深点的选择、系统差、粗差的剔除等因素影响对结果的客观评价。这种评价指标对过程的质量控制没有实质的指导价值，只能作为一个重要的参考。因此，测量过程的质量评价应该引起足够的重视。

3.1声剖数据的评价

在某次海洋多波束扫测作业中，技术文档对声剖数据的质量分析：将SV-Plus 8321采集的数据与高精度CTD采集的数据进行比对，声速曲线相近，互差很小，证明SV-Plus 8321采集的数据满足测量要求,如图1所示。

图1　8321声剖数据与CTD数据比对

声剖平均每天投放2次，如表9所示。

这些指标是在技术文档中，对声剖数据的评价，凭此可以大致判断声剖数据是合格的，没有更

多的说明与分析。

通过对2011~2013年测量任务中部分声剖数据的各水层声速进行平均值计算，通过对相邻两次测量的声剖数据比较，然后对各水层声速进行差值计算，求各水层声速差的中误差，定义为相邻声速中误差，将该数据与上文介绍的等级测量声剖指标进行比对，形成对声剖数据的质量评价。

表9　声剖投放次数和投放间隔

对2011~2013年中3次测量作业中的声剖数据进行分析，如表10~表12所示。

表10　2011年测量任务部分声剖数据计算结果

表11　2012年测量任务部分声剖数据计算结果

表12　2013年测量任务部分声剖数据计算结果

计算可得2011年相邻4次声剖数据的相邻声速中误差为14.17m/s，4.81 m/s，7.621 m/s；2012年相邻3次声剖数据的中误差为：1.88 m/s，0.42 m/s；2013年相邻3次声剖数据的中误差为：0.99 m/s，1.39 m/s。

可以得出结论：

1)随机抽取的声剖连续数据，基本保持比较稳定的中误差；

2)2011年声剖数据的声剖投放时间间隔较长，中误差较大，相邻两天的声剖水层差也比较大，数据达不到一级测量质量指标，基本达到二级测量质量指标；

3)2012年、2013年声剖测量数据质量较高，符合一级测量质量指标；

4)根据表11，第二次与第一次声剖投放时间间隔较短，但中误差却大于时间间隔较长的第3次与第2次投放。

3.2测量环境的评价

多波束测量任务中，一般没有将海况作为一个

数据指标对测量成果进行评价，一般情况下，只要海况不是很差，船艇航行能较为平稳，多波束测量系统能稳定的获取数据，就断定该海况下可以进行测量作业。

通过上文的计算可知，在沿岸测量作业中，对波高的要求是比较高的，采用一级声剖数据波高在0.707 m以内，采用二级声剖数据波高在0.373 m以内。在近海测量作业中，采用一、二级声剖数据，波高在1.25 m以内时符合限差要求。

多波束一级测量作业需要对声剖数据、潮汐预报精度和测量环境进行综合分析，声剖数据质量高、潮汐资料精确，则测量环境可选择性更大，但一般测量作业要优于三级海况。

通过查看历史技术文档，发现一般没有对海况进行描述，只有在海区概况中有历史资料的简单介绍，没有对海况的实时情况进行记录。另外，因为测区的海况恶劣而结束测量，会简单说明原因，没有描述具体海况，这种情况下的海况一般大于三级，对测量数据质量的影响较大。

4结束语

通过对测量资料进行整理与分析，发现声剖的数据质量与声剖的投放间隔有一定相关性，以往的测量数据存在误差较大情况，需要加大对测量数据进行严密的监控。另外，目前在测量作业中对测量环境的评估不够，应明确测量环境对测量成果质量的影响。本文的研究成果对完善现有的测量作业方式有一定的指导意义，对如何在测量过程中，实施有效的质量监控提供一定的理论依据。

参考文献：

[1]李家彪，王小波，华祖根，等.多波束勘查原理技术与方法[M].北京：海洋出版社，1999.

[2]黄辰虎，陆秀平，欧阳永忠，等.多波束水深测量误差源分析与成果质量评定[J].海洋测绘，2014,34(2)：1-6.

[3]赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2008.

[4]黄辰虎，陆秀平，申家双,等.海道测量水位改正通用模式研究[J].海洋测绘,2011，31(4)：13-16.

[5]刘胜旋，关永贤.多波束系统的参数误差判断及校正[J].海洋测绘，2002,22(1)：33-37.

[责任编辑：张德福]

摘要：分析多波束测量、辅助测量的数据精度，研究其对成果水深的影响程度，结合《海道测量规范》与《多波束水深测量技术规定》中的测量等级指标，以及IHO规范中对水深不确定度的定义和传播结构的介绍，建立数学模型反解出符合规范的作业环境与辅助测量数据的等级指标，提出明确的多波束测量作业精度控制的技术指标，为测量数据的质量监控建立更全面的评价标准。

关键词：声剖；潮汐；海况；不确定度

Precision control and standard indexes of multi-beam surveyingLIANG Zhicheng1，HUANG Wenqian2，WEI Shuai2，WU Jian1，ZHANG Junjie1

(1.China Navigation Publication Press，Tanggu 300450,China；2.Dept．of Hydrography and Cartograthy，Dalian Naval Academy，Dalian 116018,China)

Abstract：Analysis is made on the precision of multi-beam surveying and aided measurement, and its impact on depth.Combined with the description of the depth uncertainty in “Specifications for hydrographic survey” and “Technical regulation for depth measurement of multi-beam”,this paper establishes a mathematical model of inverse solution to meet the grade index specification of working environment and auxiliary measuring data. The technical indicators are provided to help the establishment of more comprehensive data evaluation for multi beamsurveying.

Key words：sound speed profile；tide；sea conditions；uncertainty

作者简介：梁志诚(1986-)，男，助理工程师.

基金项目：海军大连舰艇学院2110工程三期资助学术预研课题(DLJY-XY2014016)

收稿日期：2014-11-04；修回日期：2014-12-06

中图分类号：P229

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2016)02-0057-04