浅谈大洋调查的多波束地形勘测数据采集和处理方法
罗伟东
(广州海洋地质调查局，广东 广州，510760)
摘要：针对多波束地形勘测数据采集和处理中容易出现的一些问题，从设备安全保障措施、参数测试位置和要点、现场数据采集监控等方面探讨数据采集方法，阐述处理要点及相应措施。该方法有利于完善多波束勘测作业流程，提高现场监控水平和数据采集质量，更好地服务于大洋调查和促进多波束地形勘测的发展。
关键词：多波束地形勘测；数据采集；处理方法
中图分类号：TK421.7 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S2-0135-05
Method of data acquisition and post-processing of multibeam bathymetric measurement in ocean survey
LUO Wei-dong
(Guangzhou Marine Geological Survey Bureau, Guangzhou 510760, China)
Abstract: Concerning about problems appearing in the procedure of the data acquisition and post-processing of the multibeam bathymetric measurement. The security safeguard of equipment, the place and key points of parameter testing, on-site quality control of data acquisition were discussed, the processing points and corresponding measures were described. The method completed the work flow of the multibeam bathymetric measurement, improved the level of the on-site quality control and the quality of data acquisition, make the ocean survey better and promote the development of the multibeam bathymetric measurement.
Key words: multibeam bathymetric measurement; data acquisition; post-processing methods
近年来国家在海洋研究上投入了大量资金和人力，顺利地完成了大洋锰结核调查和研究，取得了东北太平洋特定海域海底多金属结核先驱投资者资格，中国的深海调查研究工作正以超常规的方式发展着。在深海硫化物、钴结壳和深海热泉生物现象等这些世界上海洋研究的前沿课题的研究中也取得了进展。
多波束地形勘测是大洋调查的主要调查手段之一，发挥着重要作用。通过多波束地形勘测了解调查区高精度地形，绘制地形图，以掌握调查区水深、地形地貌特征等，为后续调查手段的开展打下基础。根据大洋深海硫化物、钴结壳等调查项目的实际情况，多波束测深具有以下特点：采用深水多波束测深系统，作业水深1 000~6 000 m；到达调查工区后首先进行多波束测深；船速一般控制在5节左右，因为要节省成本，作业时一般还要同步进行其它走航式的地球物理调查，如浅地层剖面、磁力、重力、单道地震等调查手段；测深作业时间紧迫，短时间内要完成数据采集、后处理和成图工作；对重点区域和目标需进行加密调查和精细处理。调查的特点决定了测深调查的高要求，对仪器设备状态、参数测试、数据采集、现场质量监控、现场后处理和制图等整个作业流程都要做到安全保质高效、密切配合，才能顺利完成数据采集、现场后处理和成图工作。我国自20世纪90年代初引进第一套深水多波束测深系统以来，积累了许多的经验和教训，本文主要根据多波束地形勘测的海上采集和后处理的实践及大洋调查的特点，针对多波束地形勘测数据采集和处理容易中出现的问题，探讨数据采集方法和处理要点及相应措施。
1 数据采集方法
大洋调查的特点决定其数据采集方法跟其他国家大型项目和海洋工程有相同的地方也有其自身的特点，在作业过程中应该充分重视，采取相应措施，确保数据质量和设备安全。主要体现在以下几个方面。
1.1 设备安全保障措施
设备安全，状态正常是完成海上工作的基础，完善的设备安全保障措施是必要的。如果在海上出现设备故障，将影响整个工作进度，程度严重无法在现场修复的将会大大增加调查成本，导致项目无法如期完成，造成不可估量的损失。鉴于海上调查工作的特殊性，其工作环境、工作时间和对设备的要求明显不同于陆地调查工作。因此，设备的安全保障方面难度很大，需要不断完善。
大洋调查航行时间很长，有多个调查项目和工区，从出航到正式进行某一调查手段的作业，历时几个月都有可能。设备长时间在海上潮湿和运动的恶劣环境下，维护保养很重要，难度大，容易出现故障。主要措施如下：
(1) 系统管理专人负责，分工明确，责任到人。
(2) 多波束系统联动试验应经常进行。一个月以上不使用多波束系统的情况下，应保证每个月对多波束系统进行一次联动试验。多波束系统联动试验应包括多波束测深仪、运动传感器、艏向测量仪、定位系统等设备和仪器之间联机试验。
(3) 多波束系统的辅助设备应该按规定时间进行测试或校准。
(4) 对曾经出现过故障或不稳定的设备要重点监控，作好监控记录。
(5) 海上航行至正式作业期间，要经常进行发射测试，检查系统的软硬件，确保系统正常运行。
(6) 海上作业期间，值班人员要掌握常见故障现象，如果出现特殊情况，第一时间通知相关负责人，将故障产生的危害降低到最低限度；对各设备的状态要定时作好记录，专人定期检查监控重要部件的工作状态。
(7) 专业负责人要掌握系统和相关设备的快速故障识别和排除方法，包括掌握系统的组成、部件的作用和故障现象、多波束系统和相关设备的备件情况(备件名称、数量、作用、故障现象和更换方法)等。
1.2 参数测试地点的选择和测试要点
参数测试是消除多波束系统内部误差的有效途径，参数测试的准确度影响数据质量。大洋调查的多波束地形勘测一般是在大洋富钴结壳调查和硫化物调查项目中开展，根据项目的特点，参数测试地点的选择和测试具有自身的特点。
1.2.1 参数测试地点的选择
一般地，参数测试项目包括：横摇偏差(Roll Bias)、定位延时偏差(Latency)、纵摇偏差(Pitch Bias)和艏摇偏差(Yaw)。测试地形要求在平坦地形和有一定坡度的山坡进行。根据大洋调查从出航到正式作业时间长的特点，多波束参数测试一般是在调查前进行。航行期间，要做好充分准备，掌握多波束勘测工区及航行经过周边区域的地形，初步确定参数测试的方案和备用方案。大洋结壳调查中，海山及周边一般很容易就可以找到适合参数测试的地点，因此，参数测试地点一般在到达海山期间进行。海山是发育在深海平原上，海山周围或海山平台很容易找到满足要求的平坦地形进行Roll测试，Pitch参数要求在具有一定坡度、地形有起伏和水深2 000 m左右的地形上进行，海山山坡一般能找到相应地形完成测试。备选方案一般的测试地形可能存在不理想的地方，测试时，要加强监控和数据验证，确保测试结果符合调查要求。
1.2.2 测试要点
我国目前大洋调查使用的深水多波束测深系统是EM120，EM122和SEABEAM2112。EM系列系统的测试模块相对比较成熟，操作简便。SEABEAM2112系统由于系统已经有十几年历史，系统测试模块存在一定缺陷，Roll参数测试相对简便些，Pitch参数则要进行成图人工测量计算，操作繁琐，人为因素容易产生误差。测试要点如下：
(1) EM系列深水系统的参数测试可以使用自带的测试模块也可在后处理软件如Caris中进行。SEABEAM2112系统的测试建议在后处理软件中进行。
(2) 测试时，为提高数据密度和精度，条幅开角应适当减小，特别是做Pitch参数时，Roll参数120°左右，Pitch参数可选择更上的条幅开角，最大船速为8节左右。
(3) 测试时要严格按照测试顺序进行且每一次测试生成的参数值要输入系统，再进行后继参数的测试工作，消除前面参数的影响。每个参数的测试得出每一次测试值后都应该进行验证，把第一次测试的结果输入系统后再进行测试验证，最后进行参数值的微调，使其达到精度要求。
(4) 进行参数计算和调整时，可以选取合适地形，利用软件提供的自动计算功能，自动计算出参数的参考值，为后面人工计算和调整提供参考，提高工作效率。
(5) 利用条幅剖面窗口进行参数计算和调整时，注意调节窗口中的条幅点数和窗口大小及纵横比例，方便观察且提高观察准确度。另外，确定参数值时，应该选取测线多个位置的数据剖面进行比较和平均。
1.3 现场数据采集监控
现场数据采集监控是野外调查的重点，只有实现了有效的监控，才能保证设备安全、高质高效的数据采集。
为节省成本，大洋的多波束勘测一般还要同步进行其它走航式的地球物理调查，如浅地层剖面、磁力、重力、单道地震等调查手段，船速一般控制在5节左右。调查速度的降低，增加了数据密度，有更充分的时间进行分析和数据处理，但作业时间将增长，容易导致现场出现一些意外情况，因此，作业应该制定相应措施。
数据采集前应仔细检查系统设备是否工作正常；检查系统设备参数设置是否正确；检查测船坐标系统定义是否正确，系统设备安装偏移(Office)值输入是否正确；检查吃水改正文件、声速剖面文件和导航测线文件是否正确[1]。
测线布设方面，大洋富钴结壳调查的调查对象是海山，根据海山的特点，一般测线是平行海山等深线布设。一般地，海图上的海山形状与实际调查的结果往往相关甚远，因此，勘测时要先圈出所有(或某个)海山的大致范围，再进行其他测线的调查，海山平台布设平行测线即可。当海况较差时，为提高数据质量，一般沿垂直涌浪方向布设测线，保障2个方向的数据质量。
现场质量监控方面，首先完善的监控机制是实现高效现场监控的重要基础。实时高效的监控还要借助相关后处理软件或实用的辅助工具软件如Golbalmapper(简称GM)等来完成，特别是对横摇偏差Roll、纵倾偏差Pitch和定位延时Latency的监控。系统参数的监控是野外数据采集的重点，实践表明，长时间野外作业，船和运动传感器可能存在漂移现象，将影响数据质量。过去，一般认为，固定安装的多波束系统每半年进行一次参数校正即可满足调查要 求[2]。实践证明这种做法是不可靠的，参数的监控要经常进行，全覆盖测量时建议每天专人监控[2]。声速监控在调查中是最难控制的，大洋调查监控难度相对小些，由于调查区属于深水区，声速变化相对小，声速的控制区域也大些，且EM系列深水系统都配备有表层声速计，监控时除了观察实时条幅是否存在对称弯曲情况，只要注意观察表层声速的变化即可，一般声速变化超过2 m/s应该注意目前声速的校正效果。图1所示为参数测试、参数和声速剖面监控结果。该图说明参数测试地点的选择和在现场质量监控时进行参数和声速剖面监控。图1中地形为太平洋某平顶海山局部地形，数据为多波束勘测实测数据，网格化间距100 m。在点A和B可进行Roll参数测试和监控及声速剖面监控；右上角的剖面为A的地形剖面图；E区域可进行Pitch参数测试；C可进行Raw(heading)参数测试；在D点可进行Pitch参数监控。
图1 参数测试、参数和声速剖面监控图
Fig.1 Parameter testing, monitor view of parameter and SVP
全覆盖监控，对于大洋结壳调查项目，显得尤为重要，海山的水深变化大，为1 000~6 000 m，条幅覆盖宽度变化也很大，很容易造成漏测和产生跳变数据，一方面要合理布设测线；另一方面，值班人员对地形和覆盖宽度要有预测，及时提醒驾驶台修正航线。
特殊情况的应对措施：如海况差，应该及时调整作业测线方向、船速和EM系统可采用FM功能等；如果出现特殊地形如调查硫化物堆积物 “黑烟囱”等时，可采用减慢船速，调整条幅开角、浅水可采用波束聚集功能等方法保证数据质量。
2 数据处理和成图
富钴结壳和硫化物等调查，在完成多波束勘测后，要求现场生成的地形草图，为后续调查手段的测线和站位布设。数据的后处理任务时间短，非常紧迫，大面积的数据后处理只能是进行粗处理和开展局部的精细处理。为按时高质量完成处理任务，通常的做法是从多波束勘测作业开始，由专人负责，每天进行数据处理，争取处理完当天的勘测数据，为后面的成图打下基础，也是对每天数据质量的有效监控。现场后处理具有室内后处理所无法比拟的优势，能更清楚地掌握野外作业情况，后处理时针对实际情况对数据进行分析处理。主要的处理要点：
(1) 掌握现场作业情况。处理时，要先充分了解要处理数据的区域的大致地形情况、作业时的海况、声速剖面使用和校正情况及作业期间有没有特殊情况发生[3]；
(2) 后处理软件的选择。后处理软件的功能应齐全，操作方便。根据实践，首选Caris软件，其内嵌的海洋测量数据清理系统(HDCS) 和整个数据处理流程中的数据可视化模型很实用，完成满足实际应用的需求；其次也可以使用Kongsberg 公司生产的Neptune软件。
(3) 后处理技术人员的技术素质。后处理技术人员的技术素质直接影响后处理数据质量，要求后处理技术人员具有一定的专业水平和实践经验，熟悉野外调查情况和后处理软件功能和操作流程。
(4) 后处理原则。多波束数据后处理总原则为“去伪存真”[4]。处理时，还要根据不同项目的特点调整处理方法，特别是在处理异常数据时，操作人员要结合实践，谨慎处理，对异常数据的位置和处理方法等必须有标记，方便质量自检。
(5) 结壳调查中，海山地形复杂，水深变化大，数据采集时容易因数据跟踪不良出现假数据和数据没有达到全覆盖要求等情况，对特殊情况，要调整滤波参数或直接采用人工交互编辑方法进行处理[5]；在系统参数和声速监控方面，由于海山地形复杂，不利于参数的监控，因此，处理时根据实际情况，选择最接近测试要求的地形对其进行有效监控。
(6) 硫化物调查的目的是为了确定该区域是否存在硫化物、硫化物的数量、分布规律及位置等。硫化物生长在2 000 m大洋中脊和断裂活动带，“黑烟囱”是耸立的硫化堆积物，直径从数厘米到2 m，高度从数厘米到50 m不等，直径大的堆积物在多波束勘测中可能可以识别或以异常点显示。因此，进行数据处理时，数据自动滤波的参数要适当调整，避免将有用数据删除；异常点和隆起地形的处理采用人工交互编辑，并且要从整个区域地形特点考虑。也可以利用水深残差法定位特殊地形，进而提取特殊地形的水深浅点和深点[6]。
离散数据成图。现场数据后处理完成后，即要进行数据成图，生成符合要求的等深线图或其他图件。目前，业内通用的绘图软件主要是Surfer、mapGIS、ArcGIS、GMT和GM软件，各软件都有其自身的优缺点，成图时，应该根据成图的要求进行软件的选择或者多个软件互补。根据大洋调查的实际情况，要求生成现场草图，主要是用于后续作业手段的测线和站位布设，成图没有特殊要求，以方便地形观察和测线站位布设为目的。一般建议使用Surfer或GMT进行数据的网格化后成图，Surfer可进行中小面积的数据量的数据网格化，制图操作方便，但颜色渲染功能稍差；GMT是命令行控制，可进行大面积数据量的数据网格化工作，颜色渲染功能非常突出；用GM软件调用网格化文件进行地形浏览和观察等，是测线和站位布设的有效辅助工具。
3 结论
多波束地形勘测做为大洋调查的基本调查手段之一，在数据采集和后处理等方面有其自身的特点，通过多年工作实践总结数据采集和后处理方法，有利于完善多波束勘测作业流程，提高现场监控水平和数据采集质量，更好地服务于大洋调查和促进多波束地形勘测的发展。
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(编辑 邓履翔)
收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-07-15
通信作者：罗伟东(1977-)，男，广东揭东人，硕士，从事地形地貌和多波束测量研究；电话：13609057863；E-mail: loky_luo@sina.com
