陽凡林等：船載地形地貌探測技術

【編者序】

本文來自《高解析度海底地形地貌——探測處理理論與技術》（吳自銀等著）一書的第1.1節「船載地形地貌探測技術」。在此，特別感謝作者及《科學出版社》對於平台的支持與信任！本章節由陽凡林、王勝平、朱心科、吳自銀四位學者共同撰寫，編髮時進行了整理與內容刪節，版權歸作者與出版社共同擁有。

船載探測是海底地形地貌探測最直接的方式，水深測量是船載地形地貌探測最核心的工作，早期從測深桿、錘、繩等原始的方式，發展到目前的聲光電等多種探測手段。因為光波、電磁波在水中衰減很快，而聲波在水中能遠距離地傳播，當前，船載聲學探測仍是海底地形地貌探測的主要方式之一。GNSS（全球導航衛星系統）定位導航是水上準確、高效的定位導航方式，利用「GNSS＋探測儀」這種手段進行水深測量使用廣泛，其基本原理是測量載體在GNSS導航儀的輔助下，獲取測區內測點的瞬時平面坐標，同時利用探測設備獲得相應位置處的水深值、反向散射強度或者海底影像。

一、船載探測技術的演進與發展

早期測深是靠測深桿和測深錘完成的，效率低下。1913年，美國科學家R.A.Fessenden發明了回聲測深儀，其探測距離可達3.7km；1918年，法國物理學家P.Langevin利用壓電效應原理髮明了夾心式發射換能器，它由晶體和鋼組成，實現了對水下遠距離目標的探測，第一次收到了潛艇的回波，開創了近代水聲學並發明了聲吶。進入20世紀60年代，多波束測深系統興起，並隨著數字化計算機技術的飛速發展，逐漸出現了高精度、高效率、自動化、數字化的現代多波束測深系統，測深模式實現了從點到線、從線到面的飛躍。與地形地貌相關的海底探測儀器主要有：單波束測深儀、多波束測深系統、相干測深側掃聲吶、三維激光掃描系統、雙頻識別聲吶、合成孔徑聲吶、三維全景聲吶等。

⒈ 由竹竿測量到繩索測量

人類最早是用竹竿測量水深的，後來發展為用一端帶有重物的繩索測量水深。15世紀中葉，尼古拉·庫薩發明了一種簡單的水壓式測深儀，根據水壓的多少反算海水的深度。繼布魯可型測深器（1851年前後）之後，先後出現了一種錫格斯比型測深器和有名的開爾文測深器，錫格斯比型測深器適用用深海測深；開爾文測深器是英國開爾文勛爵於1874年發明的一種使用鋼琴弦作為測深繩的測深器。1891年，英國電信公司推出了盧卡斯型測深器。這種繩索式測深器的缺陷是工作效率低，受海浪和海流的影響大，特別是在深海區，其弊端顯得尤為突出；其另外一個缺陷是僅能在一點或一條測線上進行，不能進行大面積測量。

⒉ 單波束回聲測深儀

20世紀20年代科學家發明了單波束回聲測深儀，是海洋測深技術的一次飛躍，其優點是速度快，記錄連續。有了它才有了今天真正意義上的海圖，對人類認識海底世界起到了劃時代的作用。單波束測深屬於「線」狀測量，當測量船在水上航行時，船上的測深儀可測得一條連續的剖麵線（即地形斷面）。根據頻段個數，單波束測深儀分為單頻測深儀和雙頻測深儀。單頻測深儀僅發射一個頻段的信號，儀器輕便，而雙頻測深儀可發射高頻、低頻信號，利用其特點可測量出水面至水底表面與硬地層面的距離差，從而獲得水底淤泥層的厚度，即可用於浮泥層測量。

傳統的單波束測深儀有兩個要缺點：其一，僅採樣測線上的點，對海底信息的反映比較粗糙；其二，波束寬度較大，在複雜地形測量時深度誤差較大。儘管多台回聲測深儀相對單台測量效率和測點密度有了提高，但設備笨重、橫向掃幅小，對海上自然條件要求高。但單波束測深儀因為具備價格便宜、工作方便等優勢，當前依然在河道與淺海測量中被廣泛應用。

⒊ 多波束測深系統

20世紀70年代出現的多波束測深系統，屬於一場革命性的變革，深刻地改變了海洋調查方式及最終的成果質量。多波束測深屬於「面」狀測量，它能一次給出與航跡線相垂直的平面內成百上千個測深點的水深值，故它能準確、高效地測量出沿航跡線一定寬度（3～12倍水深）內水下目標的大小、形狀和高低變化。與單波束相比，其系統組成和水深數據處理過程更為複雜。除多波束測深儀本身外，還需外部輔助設備包括姿態儀、電羅經、表層聲速儀、聲速剖面儀和GNSS定位儀等來提供瞬時的位置、姿態、航向、聲速等信息。

多波束的研製工作起源於20世紀60年代美國海軍研究署資助的軍事研究項目。1962年，美國國家海洋調查局（NOAA）在Surveyor號上進行了新問世的窄波束回聲測深儀（NBES）海上實驗。1976年，數字化計算機處理及控制硬體應用於多波束系統，從而產生了第一台多波束掃描測深系統，簡稱SeaBeam。該系統有16個波束，橫向測量幅度約為水深的0.8倍，當水深在200m左右的大陸架邊緣時，海底的實際掃海扇面寬度約為150m，當水深為5000m左右時，海底實際覆蓋寬度約為4000m。

20世紀80～90年代後，先後出現了各種各樣的淺、中、深水多波束系統，圖1是德國產的雙頻多波束測深系統Elac BottomChart 1180/1050D，屬於中淺水多波束系統。儘管經過了短短三十年的發展，但多波束測深技術研究和應用水平已達到了較高的水平，特別是近十年來，隨著電子、計算機、新材料和新工藝的廣泛使用，多波束測深技術已取得了突破性的進展，主要表現在精度、解析度更高，集成化與模塊化技術更好，設備體積越來越小。

圖1

雙頻多波束測深系統Elac BottomChart 1180/1050D

⒋ 側掃聲吶

側掃聲吶也稱為旁側聲吶、旁掃聲吶，側掃聲吶技術的出現可追溯到第二次世界大戰後期，但直到20世紀50年代末才用於民用，60年代初發明了商用設備，60年代末側掃聲吶的概念開始為全世界所接受。

側掃聲吶系統是基於回聲探測原理進行水下目標探測的，通過系統的換能器基陣以一定的傾斜角度、發射頻率，向海底發射具有指向性的寬垂直波束角和窄水平波束角的脈衝超聲波，聲波傳播至海底或海底目標後發生反射和散射，又經過換能器的接收基陣接收，再經過水上儀器的處理用顯示裝置顯示、記錄器儲存。

側掃聲吶的工作頻率基本上決定了最大作用距離，在相同的工作頻率情況下，最大作用距離越遠，其一次掃測覆蓋的範圍就越大，掃測的效率就越高。脈衝寬度直接影響了解析度，一般來說，寬度越小，其距離分辯率就越高。水平波束開角直接影響水平解析度，垂直波束開角影響側掃聲吶的覆蓋寬度，開角越大，覆蓋範圍就越大，在聲吶正下方的盲區就越小。

⒌ 相干型測深側掃聲吶

1960年英國海洋科學研究所研製出第一台側掃聲吶並用于海底地質調查，20世紀60年代中期側掃聲吶技術得到改進，提高了解析度和圖像質量等探測性能，開始使用拖曳體裝載換能器陣，20世紀70年代研製出適應不同用途的側掃聲吶。但這種類型的側掃聲吶並不能進行水深測量。英國Submetrix公司在20世紀90年代推出一種對海底地貌高密度、高精度測量的ISI100型相干聲吶系統，是利用多基元換能器接收回波的振幅、時間和相位差來對海底各點準確定位，並快速採集和處理大量數據的系統。相干聲吶集水深探測技術和成像技術於一體，不僅可以測量水深，還可以同時給出海底三維立體圖、等深圖、側掃聲圖。該類設備具有以下三個特點：

⑴採集的數據密度大，相干聲吶每個發射脈衝每側可集2000～6000個回聲波帶（即回波角）的水深，相當于海底每7.55mm一個水深點；

⑵覆蓋寬度大，有效水深覆蓋帶可達10～15倍水深；

⑶具有條帶測深和側掃聲吶二合一的特點，能採集更多的海底地形地貌信息，與傳統的側掃聲吶相比能提供每個像元的精確坐標，利於後期的資料深度挖掘利用。

圖2

GeoSwath Plus 測深側掃聲吶系統

相干聲吶適用於港口航道水深掃測，是替代測深儀、側掃聲吶的新型設備，目前主要型號包括klein 3500，Geoswathplus等型號（圖2）。但當工作水深大於200m時，相干聲吶的探測效果不如傳統多波束好，尤其在比較渾濁的河口與航道區探測的資料效果一般。

⒍ 雙頻識別聲吶

高解析度雙頻識別聲吶運用聲頻「鏡頭」能在黑暗中、混水中生成高質量圖像。這種環境下，光學攝像系統完全無法使用。而高解析度雙頻識別聲吶則不然，在水下高解析度雙頻識別聲吶主動發射兩種頻率的聲波，聲波遇到物體時反射回來被系統接收，經聲學成像系統的信號處理，在顯示屏上顯示物體的影像。

聲學成像系統是由三個聲透鏡和陣列式換能器組成。聲透鏡是會聚或發散聲波的聲學元件，類似於光透鏡，但與光透鏡不同的是會聚聲波的聲透鏡是凹透鏡而不是凸透鏡，這是由於在聲透鏡中的聲速比水中的聲速大的緣故。聲透鏡折射率大、聚焦短，最大限度地減小了像差和傳播損失。陣列式換能器具有空間分辨能力，可以根據回波信號的強度和時延進行圖像重組。高解析度雙頻識別聲吶主要有ARIS和美國華盛頓大學研製的DIDSON等型號。圖3是DIDSON探測的水下鋪排。

圖3

雙頻識別聲吶DIDSON所探測的水下鋪排

⒎ 水下三維全景掃描聲吶

三維成像聲吶類似於三維激光掃描儀，聲吶頭髮射固定頻率的聲波，波束在水中傳播到達物體表面後反射，聲吶頭接收聲音信號將其轉化為電信號，再傳輸至聲吶控制單元，聲吶控制單元利用聲吶的操作軟體把聲吶頭掃描到的信息以圖像的形式顯示出來。聲吶探頭通過發射聲脈衝，每發射一次，即可形成一個掃描扇區，可得到多個測點的空間數據，通過雲台在豎直方向和水平方向的轉動，可實現水平方向360°、豎直方向130°大範圍掃描。掃描最大深度300m，在30m範圍內掃描尺寸誤差小於4cm，角度誤差1°。目前主要的三維掃描聲吶有BV5000-1350和BV-2250（圖4）。

圖4

三維掃描聲吶BV5000-1350所探測的深海鑽井平台及法蘭盤

⒏ 合成孔徑聲吶（SAS）

合成孔徑線陣聲吶是利用接收基陣在拖曳過程中對海洋中目標反射信號的時間採樣，經延時補償，構成目標的空間圖像。合成孔徑聲吶成像的關鍵技術有拖曳基陣的姿態控制，實時時延修正，逆散射圖像重建技術，海洋介質時空變化引起的聲信號起伏的處理技術。它以小孔徑的基陣獲得大孔徑基陣才具有的解析度，這是聲探測和聲成像技術的重大突破，與其他聲學探測設備相比具有「恆等解析度」的典型優點，不會隨著距離增加而降低解析度。代表產品有美國的DARPA、CEROS合成孔徑聲吶，歐盟的合成孔徑測繪與成像（SAMI）聲吶，法國的IMBAT3000合成孔徑聲吶。在863項目支持下，中科院聲學所於2000年成功研製我國首套具有自主知識產權的合成孔徑聲吶。目前，合成孔徑聲吶可以實現10～30cm的水下圖像解析度（圖5）。

圖5

合成孔徑聲吶探測的海底小型人工目標物

⒐ 移動三維激光掃描系統

將三維激光掃描設備(LS)、衛星定位模塊( GNSS)、慣性導航裝置(IMU)、里程計、360°全景相機、總成控制模塊和高性能板卡計算機高度集成，並封裝在剛性平台之中組合形成三維激光掃描系統。利用三維激光掃描可實現遠距離非接觸式測量，實現灘涂測量（圖6）。船載移動三維激光掃描灘涂測量角度平面位置10～15cm，高程15～20cm。針對船載移動測量的激光掃描型號主要有MDL250，RIEGL VZ400，Leica HDS8800，FARO Focus3D和中海達iScan等。

圖6

船載三維激光（左）與掃描成果圖（右）

二、船載定位技術

早期載體的定位手段主要有光學定位和陸基無線電定位，存在精度差、操作繁瑣等問題，難以滿足現代工程實際需求，大部分方法幾乎停用。自20世紀末以來，隨著GNSS技術的突飛猛進，海洋定位技術取得了突破性的進展。目前廣泛使用的GNSS高精度定位技術有差分定位、精密單點定位（PPP）。

海上光學定位與陸上定位的原理和方法相同，以交會法為主，即通常所用的前方交會法、後方交會法等，在20世紀60至70年代廣泛應用。

無線電定位包括陸基無線電和空基無線電兩種。陸基無線電由20世紀初發展起來，系統的主要部分在於地面導航台，該方法具有作用距離遠和全天候連續定位等特點，作用距離可由幾十公里到上千公里，其基本原理主要是測量距離定位和測量距離差定位，通過在陸上設立若干個無線電發（反）射台（稱為岸台），測量無線電波傳播的距離或距離差來確定運動的船台相對於岸台的位置。

衛星導航定位技術是空基無線電定位最具代表性的技術之一，興起於20世紀70年代，是目前海上定位使用最廣泛、最有效的技術手段。GPS單點定位由於受到的影響因素眾多，如衛星星曆誤差、電離層折射誤差和多路徑效應等，其定位精度在5～20m，不適合高精度定位導航需求，因此GPS差分技術應運而生，並在實際工程中廣泛應用。

我國沿海早期GPS差分形式有信標差分和GPS RTK技術。信標差分是指我國的沿海無線電指向標-差分全球定位系統(RBN-DGPS)，是中國海事局於1995～2000年組織建立的覆蓋我國沿海海域並由20個航海無線電指向標構成的助航系統，其原理本質上是利用無線電信標播發偽距差分（RTD）改正信息從而實現實時動態差分定位，其定位精度在1m左右，見圖7。

GPS RTK稱為載波相位實時動態差分定位技術，定位精度在厘米級，但這種技術的作用距離有限，一般為15km左右，故常用於近岸水下地形測量作業中。

圖7

中國沿海RBN-DGPS示意圖

衛星導航技術發展的廣度和深度均在增加，目前全球除GPS外，還有中國的北斗、俄羅斯的GLONASS、歐盟的伽利略等衛星導航系統，由最初的GPS，發展成為目前群星璀璨的GNSS，差分技術也由單基站差分發展到網路RTK技術，單點定位技術也出現了精密單點定位技術。網路RTK技術是利用多個基準站構成一個基準站網，然後藉助廣域差分GNSS和具有多個基準站的局域差分GNSS中的基本原理和方法來消除或減弱各種GNSS測量誤差對流動站的影響，從而達到增加流動站與基準站間的距離和提高定位精度的目的。與常規RTK相比，該方法具有覆蓋面廣、定位精度高、可靠性強、可實時提供厘米級定位等優點；而精密單點定位技術則利用精密衛星軌道和衛星鐘差數據，對單台GNSS接收機所採集的相位觀測值進行定位解算，其實時定位精度可達到分米甚至厘米級。由於其不受基準站距離的限制，在海洋測繪中有巨大的應用潛力。

三、無人船載測量平台

除傳統的測量船外，當前，基於無人船的自主測量平台也是一種重要的海底地形地貌探測手段，尤其在淺水區、島礁區、危化品區等常規測量船難以進入的區域，需要藉助無人船的模式進行測量，無人船平台可以搭載淺水多波束、側掃聲吶、單波束、ADCP等常規的測量儀器，可以通過母船與無人船聯合作業的模式進行協同作業，大幅提升在淺水區的作業效率（圖8）。近幾年來國內外在自動化採集領域有了長足的發展，相繼出現了以高精度全球衛星定位技術、超聲波自動避障技術、實時遠程數據鏈路技術、複合材料技術等融合製造的智能無人船，並搭載有不同種類的有效探測載荷實現數據自動化獲取。

圖8

測量無人船系統拓撲圖（由珠海雲洲公司提供）

無人船平台包含無人遙控、GPS自動導航、自主航行、自動避障等功能，可在視距外作業。工作時，只需把作業水域的地圖在基站上下載好，在地圖上，或者通過坐標輸入規劃好測線，然後將任務發送給無人船，無人船即可開始工作。測量過程中，可通過遠程桌面等方式調整多波束等測深儀參數。測量數據及無人船攝像頭的拍攝畫面均可通過系統自帶的寬頻專網實時回傳，15公里內可傳輸帶寬達2M/s。

隨著我國智能製造國家政策的加速落地，目前正在從事無人艇研發與應用的單位越來越多。國內無人艇研發的單位主要有珠海雲洲、海蘭信、上海大學、哈工程、安徽科威智能-中海達、北京四方、中電科、中船重工、華南理工、海洋一所、武漢楚航、武漢勞雷綠灣、海南靈鯨等。可用于海洋測繪領域的無人艇研發單位主要有珠海雲洲、上海大學、安徽科威智能-中海達、海洋一所、武漢楚航等。國際上，美國、英國、德國等國家也有少量應用的水底地貌測繪無人船（USVs）。

【作者簡介】第一作者陽凡林，男，教授，博士生導師，1974年7月出生，湖北荊州人，山東科技大學海洋測繪學科帶頭人，山東省傑出青年科學基金獲得者。主要從事海洋測繪、大地測量方面的教學與研究工作。以第一作者或通訊作者發表被SCI/EI檢索的論文30多篇，獲得授權國家發明專利10項。獲得國家科技進步二等獎1項、省部級（或行業）科技獎勵4項。中國衛星導航定位協會教育與發展專業委員會副主任委員、中國測繪地理信息學會海洋測繪專業委員會委員等。《高解析度海底地形地貌》（吳自銀等著）一書由吳自銀、陽凡林、羅孝文、李守軍、王勝平、丁維鳳、曹振軼、許雪峰、趙荻能、朱心科、應劍雲、霍冠英、金紹華、尚繼宏、章偉艷、高金耀、李懷明、楊克紅、李小虎、梁裕揚、馬維林、周潔瓊、熊明寬23位學者共同撰寫，全套書共兩冊:探測處理理論與技術，可視計算與科學應用。本文發表徵得了作者的同意，並且對部分內容進行了修改與整理，其他平台如要轉載務請標註出處，並徵得作者與出版單位認可。

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