粤东水域定线制中海洋测绘技术的研究应用
摘 要：摘 要：介绍在粤东定线制水域扫测工作中，大范围海域潮位控制的方法，结合实际应用探讨多种测绘设备和技术的综合应用研究，既提高了工作效率，又逐渐形成了完善的工作流程和技术标准。
对该水域定线制海底地形地貌、潮汐、流速流向等地理信息基础数据的采集、分析、研究，不但为船舶航行提供安全保障，也为海上救助打捞、海洋管理、合理规划航线、海洋勘探等活动的开展提供支持。
关键词：船舶定线制 潮汐控制 CUBE数据处理 障碍物探测 1.引言 船舶定线制是指由岸基部门用法律规定或推荐形式指定船舶在水上某些区域航行时所遵循或采用的航线、航路或通航分道的一种制度，是水上交通繁忙区域实施有效交通管理的主要手段，是对航路合理规划、有效利用的重要方法，代表着水上船舶航行秩序管理的发展方向。
交通运输部根据国际海事组织推荐的船舶定线标准，在南澎列岛和石碑山附近海域规划实施的定线制，旨在改善粤东水域交通安全形势，规范船舶航行行为，保障船舶航行安全，减少船舶交通事故的发生。
2.概述 2. 1任务来源 根据《中华人民共和国海事局关于印发2014年海事测绘计划的通知》（海航保【2014】154号）文件和《中华人民共和国海事局关于印发2015年海事测绘计划的通知》（海航保【2015】149号）文件的有关要求，由广州海事测绘中心负责组织实施粤东水域船舶定线制的扫测工作。
其目的是测量定线制范围内及其附近的海道当前详细水深和水文情况，探明会对过往船舶航行构成威胁的海底障碍物，为所需海图的出版提供最新最详细的基础测绘资料。
2.2扫测区域 为改善粤东海区海上交通安全形势，粤东水域规划在南澎列岛和石碑山附近海域设立船舶定线制，由6个通航分道和石碑山南、汕头港外、南澎岛西南、南澳岛南4个警戒区组成。
实际测量面积约为1540平方公里。
2.3方案选择 根据现有海域资料分析，粤东定线制海域大部分水深均在30m以下，只有部分水域水深超过30m（主要在南鹏岛附近），按照《全国沿海船舶定线制和航路测量技术要求》的具体要求，定线制和航路测量应采用全覆盖扫海测量方式，考虑到侧扫声纳对航速的要求较高，结合单波束扫测方式效率偏低，且不能全面反映海底状况，为了兼顾扫测工作的成果精度和施测效率，综合各方面因素，确定全部粤东定线制水域采用多波束测深系统进行全覆盖扫测。
3.潮汐控制方案分析研究 3. 1潮汐概况与特征以测量区域内的云澳、汕头等长期验潮站的历史数据与局部潮汐模型等信息，考察测量区域的潮汐概况与特征，作为水位控制方案制定的基本依据。
经研究分析测量区域内潮汐类型以不规则半日潮为主，在测区西南侧过渡至不规则日潮。
测区潮汐类型数梯度变化明显，南澳岛至海门湾，为不正规半日潮，靖海、神泉很小的一个地区为不正规全日潮。
利用南澳岛附近测量时云澳验潮站与海上定点三天的同步验潮数据，两站相距约11.6海里，三天同步验潮数据及其计算结果表明该测区沿垂直岸线方向的潮差与潮时差均不大，与潮汐类型数等值线图、分潮潮波图反映的情况相吻合。
3.2潮位改正方案确定 鉴于潮位情况和基本特征的分析研究，粤东定线制水域的潮位改正可比较分析以下两种方法，一是基于潮汐模型与余水位监控的潮位改正法，二是基于最小二乘曲线拟合法的多站潮位改正法。
其精度主要取决于两个方面：①区域潮汐模型的覆盖程度、分辨率与精度；②余水位的空间相关性。
对潮汐类型无要求，关注的是潮汐模型的覆盖程度、精度与余水位空间相关性，当潮汐模型可靠且余水位空间相关性很强时，只需沿岸个别验潮站起余水位监控作用。
利用南澳与汕头站3年同步数据的检测表明潮汐模型在测区满足水位改正需求且余水位空间相关性很强。
只布设云澳、靖海湾与T1三个验潮点。
对验潮站布设的要求主要需参照海道测量规范的要求，潮位站布设的密度应能控制全测区的潮汐变化，相邻潮位站之间的距离应满足最大潮高差不大于1m，最大潮时差不大于2h，潮汐性质基本相同。
基于以上考虑，计划布设短期验潮站7个。
其中沿岸验潮站4个，海上定点验潮站3个。
（3）对比分析。
综合分析以上两种水位改正方法的对比，基于潮汐模型与余水位监控的潮位改正法具有适用性好、对潮汐性质没有要求、控制范围广、验潮投入少等优点，水位改正的精度优于相关规范与规定的要求，更适合粤东定线制水域的潮位控制。
4.基于CUBE的多波束处理 多波束测深是一种具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形测量技术，具有覆盖范围广、精度高、记录数字化以及效率高等诸多优点。
但多波束动辄百万级的点云数据，若使用传统全人工数据处理的效率愈显低下，不可避免的加大了数据检查和后处理的难度，应用CUBE（Combined Uncertainty and Bathymetry Estimator）算法，根据地形特征调整了几组CUBE参数设置，对测区网格节点（Node）处进行水深及其相关误差的一种估计，运用 CUBE 原则选择一个最优的水深估计值，最后得到节点处的水深及相关误差的估计值。
多波束外业测量时参照IHO S—44规范目标探测及CUBE建面分辨率要求进行了测线布设和船速控制，主要在考虑40米以下水深对1—2m3目标探测要求下的量程、PR值、脉冲长度、波束扫宽、测深模式等参数的设定；多波束数据处理时根据水深和地形特征调整设置CUBE参数，建面分辨率0.25—2m，深度TPU在0.3m以内，在过滤前后均在子区模式下进行了反复的数据检查，还通过查看节点的不确定度，识别坏数据。
CUBE技术的成熟应用使处理人员由数据处理者向数据分析者转变，数据处理的主要任务不再是简单去删除假信号，而是分析假信号的来源、大小，极大的解放了人力，采用人机交互处理数据，提高了工作效率，为多波束的广泛应用打下坚实的基础。
5.障碍物探测精细化 粤东定线制水域使用多波束测深系统和侧扫声纳系统对沉船、浅点等11个障碍物进行了探测，同时采集水柱数据和反散射数据分析确定障碍物特征、属性。
多波束测深系统以条带测量的方式，可以对海底进行100%的全覆盖测量，每个条带的覆盖宽度可以达到水深的数倍，可以获得高精度的水深地形数据，为人们提供了直观的海底形态；侧扫声纳为海底探测提供了完整的海底声学图像。
针对特殊障碍物探测，还同时进行了水柱数据（Water Column Image）和反散射数据（侧扫/Snippets）采集和处理，提供更为清晰的海底地貌图像，更详细地反映了整个水体中悬浮物和立柱等物体特征，进一步确定了探测目标性质和最浅水深，在多波束新技术应用领域做出了有益的尝试并取得了满意的效果。
在水下目标探测中，多波束测深系统和侧扫声纳系统的互补应用已相当普遍，能够全方位的获取海底目标，对目标性质的判断和确认起到了很好的互补作用，获取的目标属性如大小、方位、姿态等数据更加丰富，加之水柱数据的采集和分析，可对目标区域的底质进行分析判断，更进一步增强了探测结果的精确性和可靠性。
6.结束语 粤东定线制水域是我国南北航路通道要冲，通航环境十分复杂，事故多发，是广东海事局辖区十大危险水域，对该水域定线制海底地形地貌、潮汐、流速流向等地理信息基础数据的采集、分析、研究，填补了定线制无精细多波束全覆盖扫测数据的空白，不但为船舶航行提供安全保障，也为海上救助打捞、海洋管理、合理规划航线、海洋勘探等活动的开展提供支持。
大面积的粤东定线制水域的全覆盖扫测和数据处理是一项工作量巨大的测绘工程，从前期扫测方案的确定、施测计划的制定、设备船舶的准备、具体实施安排和数据成果的编绘都需要科学的谋划、资源的合理调配和精心组织，才能兼顾安全、质量和效率，为以后大型测绘项目的实施提供了丰富的工作经验。
在施测过程中，多种设备的综合应用和数据处理分析方法研究，既提高了工作效率，又推广了先进设备和技术的广泛应用，而且逐渐形成了完善的工作流程和技术标准，不断推动海洋测绘装备技术的向前发展。
参考文献： [1]曹源.多波束测深数据处理中的CUBE算法探讨[J].中国水运.2009，9（8）：131—132. [2]黄谟涛，翟国君，管铮，等.多波束测深技术研究进展与展望[J].海洋测绘，2000，（3）：2～7. [3]唐秋华，陈义兰，周兴华，等.多波束海底声像图的形成及应用研究[J].海洋测绘，2004，（5）：9～12. [4]广州海事测绘中心.粤东水域船舶定线制扫测工程水位改正模块编制项目技术报告（R）.广州.2014.