本站原创【摘 要 】本文主要介绍了单波束、多波束测深仪的工作原理、野外采集水深数据的后处理方面的技术、在海洋工程中DTM图的应用情况.
【关 键 词 】单波束；多波束；水深处理；DTM
一、数字地形模型介绍
数字地形模型（Digital Terrain Model）简称DTM,是指表达地形特征的空间分布的一个规则或不规则的数字阵列,也就是将地形表面用密集点的x,y,z坐标的数字形式来表达.最初它被用于各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算,任意两点间的通视判断及任意断面图绘制.在测绘中被用于坡度坡向图、绘制等高线、立体图,制作正射影像图以及地图的修测.它还是地理信息系统的基础数据,可用于土地利用现状的分析、合理规划及洪水险情预报等.在海洋测绘数据量越来越大的今天,DTM应用也越来越广泛.DTM在海上测绘主要有这几方面应用：等深线；海底地形可视化；海底地形分析；海底地表特征调查,特别是DTM可用3D技术展现野外测量数据,除了生硬的定位报告外可给客户带来直观的视觉感受.
数字地形模型主要有方格网数字地形模型、三角网数字地形模型、鲱鱼骨式数字地形模型、离散型数字地形模型和混合型数字地形模型.但在本质上,最基本的DTM建模方法有两种,即规则格网模型和不规则三角网模型.
规则格网模型（如图1（A）所示）的数据点按正方形或矩形的规则形式分布,由于方格网数模的数据是按方形或矩形排列的,其方格网平面坐标增量ΔX、ΔY是常数,任何一点的平面坐标可以根据数模的原点坐标、ΔX、ΔY和该点所在格网中的行与列推算出来；反之,若已知某点的平面坐标,也能很快求出它所在网格中的行与列,从而内插出该点的地面信息资料.规则格网的高程矩阵,可以很容易地用计算机进行处理,特别是栅格数据结构的地理信息系统.它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形,使得它成为DEM最广泛使用的格式,尽管规则格网DEM在计算和应用方面有许多优点,但也存在许多难以克服的缺陷在地形平坦的地方,存在大量的数据冗余、在不改变格网大小的情况下,难以表达复杂地形的突变现象、在某些计算,如通视问题,过分强调网格的轴方向.
不规则三角网（如图1（B）所示）数字高程由连续的三角面组成,三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点,或节点的位置和密度.TIN的数据存储方式比格网DEM复杂,它不仅要存储每个点的高程,还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系,三角形及邻接三角形等关系.既可通过对三角网的内插生成规格格网网络,也可根据三角网直接建立连续或光滑表面模型.
二、测深仪工作原理
任何测深仪通过换能器发出的测量声波都是一束固定角度的圆锥波.该测量声波在水底的覆盖面积随测量区域水体深度的增加而增加.
式中,S为声波在水底的覆盖面积；θ为波束角；H为水体深度；r为声波在水底的覆盖面积的半径.
由单波束测量的离散海底地形数据非常稀疏、精度不高、格式单一,在构建海底数字地形模型DTM之前可以合成单个的文本数据文件,数据量也不过几M左右.
三、STARFIX VBA水深处理
《海道测量规范》规定,在进行水深外业测量采集时,必须定时或等距离进行打标并记录打标点号,以便与测深仪记录纸进行点号匹配,并且在一些特殊情况下必须进行人工打标.因此,在进行测线水深筛选时必须优先选取打标点,然后根据给定的成图水深间隔在两打标点之间等距离插补水深.
而STARFIX软件是船位数据、水深数据分别记录（此处记录的是测深仪输出的原始水深数据,不是每隔一定时间或距离记录的散点数据）,STARFIX VBA是一款优秀的导航数据后处理程序.由于采集机制不同,相对于其他水深处理软件,这款软件主要的优势体现在：
1.STARFIX VBA程序能对采集的原始水深数据进行处理；
2.可在后处理中加入潮汐数据及CAST文件.
图5绿色线是用STARFIX软件应用多次自动处理功能结合手动处理并加入潮汐修正后的数据.（可以看出加入潮汐修正后于原始数据相比差别还是比较大的）最后出图把数据导出到文件.如果测线设计合理,我们可用采集的野外数据生成DTM图件,从而通过直观的3D观察,对单纯的数字有一个直观的感觉,从而有确保最终数据的正确性.
四、多波束系统的工作原理
多波束条带测深仪的基本工作原理是：采用多波束形成技术在垂直于测量船航向的铅垂面内形成若干个波束,然后测量出每个波束对应点的深度,这些深度点随着测量船的航行组合成一条带状水深图,因此也称为条带测深仪.图2.1为一种海底声波散射测深模型,如图所示,多波束测深系统由相互垂直的发射阵和接收阵组成.发射阵形成沿测量船纵向窄,横向宽的扇形波束,主要解决测量船测深的覆盖宽度问题；接收阵的波束特性正好相反,沿测量船的纵向宽,横向窄,在测量船发生纵摇、横摇情况下,它可以保证接收波束与发射波束相交生成波束“脚印”,即海底地形的采样点.波束“脚印”以测量船艏艉线为中心轴两侧对称.利用波束“脚印”的回波时延求得各采样点的深度.
假设多波束系统发出的波束信号经海底散射后,接收阵收到了由 θ角方向返回的声波信号,如果我们能接收并测量出该反向散射信号的时延△t,即可以计算出图2中斜边长度三（声程）.
相对于单波束多波束数据具有
1.高精度、高分辨率和海量数据的特点
多波束地形数据的每个PING的波束数可达到100个以上,波束横向间距在深水处100m左右,一个小时采集的数据量可以达到5m左右,测深点数可达5x104个以上.建立DTM所要输入的原始数据量通常在1G以上,有时要达到几十个G.
2. 回波反射强度可用来做地表类型分类―判定海底地质情况 当声信号到达海底并经过海底反射时,其回波相对于发射声波会产生一定的畸变,根据海底沉积物类型的变换,其能量随时间的分布会有不同,其变化的主要因素取决于海底沉积物表面的粗糙度和海底沉积物表层的不均匀性.
当声波入射到海底时,除了在海底表面会发生反射外,还会有一部分能量透射进入海 底表层沉积物中,由于沉积物介质的不均匀性,这部分能量会发生反射和散射,其结果是在接收到的回波信号中产生了拖尾现象,而拖尾的长度则与沉积物对声波的衰减系数有关,因此它能在很大程度上反映沉积物特性.
五、多波束测量DTM成图在海洋工程中的应用
随着人们对多波束测深系统认识的深入以及多波束测深系统技术的不断完善,多波束测深系统在海洋水下地形的测量；水下管线、电缆布设监测；水下工程检测；沉船、水下物体打捞搜寻等方面应用越来越广泛,以下是在海洋工程中的应用实例：
1. 井场调查
这个调查的突出特点是精细,0.5m（此图）的DTM分辨率能够清晰的表达各种海床地表特征的要求.同样的多波束数据,根据需要可以处理到0.25m的分辨率.
2.管道检测
第一部分（上）地表的平面显示：DTM背景、等深线、管道数据、杂物、丢弃的锚、 管道裸露部分、管道悬空部分等信息清晰可见.
第二部分（中）纵向剖面：这是重点部分,蓝色线是管道沿线的地表切面,红色小圈是管道的垂向位置,小圈下的数字是管道相对于地表（蓝线）的距离,正值表示管道埋在地下、负值表示管道暴露在地表之上.黑色实线是上一年的地表剖面数据；黑色虚线是上一年的管道垂向位置数据；红线在蓝线以上的部分就是管道悬空的部分.
第三个部分（下）管道状态：在相应位置标记出了管道悬空的起始和终止KP值.
使用同样的多波束源数据,处理后可得到三维的DTM视角,此图可以看到管道与海床的真实相对位置,管道的大部分已经裸露在外,只有一小部分掩埋完好,需要进一步的安全处理.
3. 路由调查
这个调查的突出特点是提供目标路线两侧各75米的详细地表情况,包括地质分类（利用回波强度数据）、土壤取样位置（见图中标记）,DTM背景、等深线、预设的管道路线情况.