第４２卷第５期２０１９年５月
测绘与空间地理信息
ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ.４２ꎬＮｏ.５Ｍａｙꎬ２０１９
收稿日期:２０１８－０３－２６
基金项目：辽宁省海洋渔业科研项目(２０１４１８)资助
作者简介：雷利元(１９８０－)ꎬ男ꎬ广西桂林人ꎬ学士ꎬ高级工程师ꎬ主要从事海洋测绘方面的应用研究工作ꎮ
雷利元ꎬ尤广然ꎬ赵东洋ꎬ席小慧ꎬ吴英超
(辽宁省海洋水产科学研究院ꎬ辽宁大连１１６０２３)
摘要：侧扫声呐系统因可连续㊁全覆盖地获取海底地形和水下目标的声学图谱影像ꎬ在海洋测量㊁海洋工程勘 探和水下考古等领域得以广泛应用ꎮ本文以大连西沙坨子周边海域的人工鱼礁投礁区为实例ꎬ在网络ＲＴＫ技术的支持下ꎬ详细介绍了侧扫声呐系统探测人工鱼礁的方法和过程ꎬ并将侧扫测量结果与投礁区投礁前的海底地形侧扫数据进行了对比ꎬ同时ꎬ与投礁后潜水员下潜投礁区拍摄的影像资料进行了印证ꎮ结果表明ꎬ该方法获取的侧扫声呐声学图像不仅能直观㊁形象㊁准确地对人工鱼礁进行判读和提取ꎬ还能确定人工鱼礁的空间位置和掌握人工鱼礁在海底的空间布局ꎬ是一种行之有效的人工鱼礁探测方法ꎮ关键词：侧扫ꎻ人工鱼礁ꎻ海底探测ꎻ网络ＲＴＫ 中图分类号:Ｐ２５８㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－５８６７(２０１９)０５－００３５－０３
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｉｄｅＳｃａｎＳｏｎａｒＳｙｓｔｅｍａｎｄＮｅｔｗｏｒｋＲＴＫＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＦｉｓｈＲｅｅｆｓ
ＬＥＩＬｉｙｕａｎꎬＹＯＵＧｕａｎｇｒａｎꎬＺＨＡＯＤｏｎｇｙａｎｇꎬＸＩＸｉａｏｈｕｉꎬＷＵＹｉｎｇｃｈａｏ
(ＬｉａｏｎｉｎｇＯｃｅａｎａｎｄＦｉｓｈｅｒｉｅｓＳｃｉｅｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＤａｌｉａｎ１１６０２３ꎬＣｈｉｎａ)
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Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｉｄｅｓｃａｎｓｏｎａｒｓｙｓｔｅｍｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍａｒｉｎｅｓｕｒｖｅｙꎬｍａｒｉｎｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎꎬａｎｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｒｃｈａｅｏｌｏｇｙｆｏｒｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓａｎｄｆｕｌｌｃｏｖｅｒａｇｅａｃｃｅｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅａｆｌｏｏｒｔｅｒｒａｉｎａｎｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔａｒｇｅｔ'ｓａｃｏｕｓｔｉｃｍａｐ.ＴａｋｅｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｆｉｓｈｒｅｅｆａｒｅａｏｆＤａｌｉａｎＸｉｓｈａｉｓｌａｎｄａｓｅｘａｍｐｌｅꎬｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｙꎬｗｅｇｉｖｅａｄｅｔａｉｌｅｄｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｔｅｐｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｃａｎｓｏｎａｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｈｅｎｄｅｔｅｃｔｉｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｆｉｓｈｒｅｅｆｓｂａｓｅｄｏｎｎｅｔｗｏｒｋＲＴＫｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｗｅｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｓｉｄｅｓｃａｎｍｅａｓｕｒｅ￣ｍｅｎｔｄａｔａｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒａｒｔｉｆｉｃｉａｌｒｅｅｆｉｎｇ.Ｗｅａｌｓｏｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｆｉｅｌｄｐｉｃｔｕｒｅｒｅｃｏｒｄｉｎｇａｎｄｓｉｄｅｓｃａｎ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｉｄｅｓｃａｎｓｏｎａｒａｃｏｕｓｔｉｃｉｍａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａ
ｎｎｏｔｏｎｌｙｖｉｓｕａｌａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎａｎｄｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｒｅｅｆｓꎬｂｕｔａｌｓｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｓｐａｔｉａｌｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｓｐａｃｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｒｅｅｆａｎｄｍａｓｔｅｒａｒｔｉｆｉｃｉａｌｆｉｓｈｒｅｅｆｏｎｔｈｅｓｅａｂｅｄꎬａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓａｋｉｎｄｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌｒｅｅｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｉｄｅｓｃａｎｓｏｎａｒꎻａｒｔｉｆｉｃｉａｌｆｉｓｈｒｅｅｆꎻｓｅａｂｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎻｎｅｔｗｏｒｋＲＴＫ
０㊀引㊀言
五里墩立交桥人工鱼礁作为人类有意识地置于海洋特定区域的构筑物ꎬ用来构建或修复海洋生物繁殖㊁生长㊁索饵或避敌所需的场所ꎬ是实现海洋牧场建设㊁海域生态调控和海洋
生境修复的主要手段之一[１－
２]ꎮ是在当今陆地资源日益匮乏㊁海洋环境日趋恶化和海洋资源逐渐衰退的状况下ꎬ２０１５年农业部启动了国家级海洋牧场示范区的创建ꎬ截至目前ꎬ投放的人工鱼礁已超过６０９４万ｍ３[３]ꎮ人工鱼礁投放后如何有效地进行监测㊁评估与管理ꎬ判断人工鱼
礁投放后对所在海域环境和水产资源保护增殖等方面起到的作用和带来的影响ꎬ为决策者的管理㊁分析㊁决策提供必要的支持和科学依据ꎬ因此ꎬ人工鱼礁投放后对其勘测ꎬ确定人工鱼礁真实的空间位置㊁布局和间距等基本信息及其变化情况就显得非常必要ꎬ而且具有很大的现实意义ꎮ
侧扫声呐系统作为水下目标搜索与定位的重要工具ꎬ能够探测海底地形㊁地貌和障碍物ꎬ能为探测目标提供完整的声学图像ꎬ获得探测目标的基本形态ꎬ在海底电缆探测㊁油气管道布设路径地形测绘以及轮船锚泊海区
tia检测[４－６]等方面得到了广泛应用ꎮ侧扫声呐系统主要由拖鱼㊁线缆㊁处理器三部分组成ꎮ其工作时由随船行进的拖鱼产生两束与船行进方向垂直的扇形声束ꎬ声波碰到海底或礁石㊁沉船等物体后被反射回来ꎬ反射回来的信号由拖鱼接收系统接收㊁转换放大ꎬ然后由处理器以图像的形式记录㊁显示反射和散射信号ꎬ根据反射声波图像的强度特征ꎬ就可以了解海底的地形地貌和目标物特征ꎬ但为了能获知探测目标的坐标ꎬ在测量过程中ꎬ还需外置一个
ＧＰＳ接收器[７－８]ꎮ
本文运用Ｒｏｓｓ４９０１侧扫系统和网络ＲＫＴ技术以大连西沙坨子周边海域的人工鱼礁投礁区为实例ꎬ以期为人工鱼礁的勘测探索出一种高效便捷可行的技术手段ꎮ１㊀工程区和仪器
１.１㊀工程区概况
工程区位于大连西沙坨子南部海域㊁普兰店湾湾口ꎬ距大连金州区西北约２７ｋｍꎮ该区海底地形平缓ꎬ沉积物以粉沙㊁粉沙质沙和沙为主ꎬ水深８ １０ｍꎬ平均波高介于０.１ ０.４ｍ之间ꎬ以ＮＥ和ＮＮＥ两方位较大ꎻ潮流介于正规与非正规半日潮流之间ꎬ湾口以旋转流为主ꎬ湾内潮流为往复流[９]ꎮ工程区海域面积０.３５ｋｍ２ꎬ共投放人工鱼礁４２０个ꎬ单个礁体规格为４ｍ(长)ˑ３ｍ(宽)ˑ２ｍ(高)ꎮ在投放时以５个单礁礁体为基本单元ꎬ并按一定的间距由７个基本单元形成一组人工鱼礁礁ꎮ
１.２㊀探测仪器
人工鱼礁探测仪器为美国ＲｏｓｓＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ公司生产的Ｒｏｓｓ４９０１侧扫声呐ꎬ其工作频率为４２５ＫＨｚꎬ有０.１ｍｓ㊁０.２５ｍｓ㊁０.５ｍｓ３个可选脉冲宽度ꎬ拖鱼换能器的角度可根据实际情况调整ꎮ数据处理软件为ＨＹＰＡＣＫ和Ａｒｃ￣ＧＩＳ１０.２软件ꎮ导航定位仪器为广州南方测绘仪器有限公司的Ｓ８６ＴＲＴＫ双频接收机ꎬ动态测量时平面精度标称为１ｃｍ＋１ｐｐｍ㊁高程精度标称为２ｃｍ＋１ｐｐｍꎬ并可通过ＧＰＲＳ网络通信服务接入大连市全球卫星导航定位连续运行参考站系统(ＤＬＣＯＲＳ)ꎮ
２㊀工程实施
２.１㊀实施流程
人工鱼礁探测流程如图１所示ꎬ主要包括对工程区海域的水文气象资料收集与整理㊁测线布设ꎬ人工鱼礁图像和定位数据的外业采集ꎬ利用ＨＹＰＡＣＫ软件进行侧扫数据处理ꎬＡｒｃＧＩＳ１０.２软件进行成图编绘等ꎮ
２.２㊀测线布设
根据侧扫声呐成像的基本原理㊁Ｒｏｓｓ４９０１侧扫声呐系统的基本性能和海区的水文条件ꎬ考虑到相邻测线测量数据的无缝衔接ꎬ以及人工鱼礁实际投放时的导航定位偏差或投放过程中礁体自身产生的偏移ꎬ适当地将探测区域沿人工鱼礁投放区边界外扩一定距离ꎬ以充分保证现场侧扫时设计测线的测量区域能完全覆盖人工鱼礁投放区的全部海底区域ꎮ本次人工鱼礁外业调查中共布设测线１０条ꎬ方向为东西向ꎬ测线间隔６０ｍꎬ测线覆盖率２００％ꎬ设计测线总长８.３
ｋｍꎮ
图１㊀人工鱼礁探测流程图
Ｆｉｇ.１㊀Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｒｅｅｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｒｔ
２.３㊀图像数据采集
微调根据当地的气象和海况条件ꎬ外业调查时选用了一条１５０马力㊁长约２０ｍ的平底铁质渔船为调查船ꎬ拖鱼下放在没有进出水管㊁距船艏约７ｍ处的舷侧ꎬ依据调查区域水深将拖鱼没入海面以下约１.５ｍ位置处ꎮ
依据项目区域位置及工程需求ꎬ设置好相关参数后ꎬ测量前还在测量区域进行预测量以便将仪器调试到最佳状态ꎮ调试过程中通过调节换能器的增益数值和适当调整电缆拖放长度ꎬ使声呐影像图清晰ꎮ在仪器调节过程中根据成像效果确定船只的最佳航行速度ꎬ并以此航速按照设定测线路径进行正式测量和数据采集ꎮ在数据采集的过程中ꎬ对仪器进行全程监视ꎬ若海底有特殊目标或特殊地形地貌以及可疑点时ꎬ进行现场记录ꎬ以备后期内业数据处理参考ꎮ
２.４㊀定位数据采集
为保证侧扫测量数据空间位置的准确性ꎬ测量时还将ＧＰＳ机通过线缆连接到主机上ꎬ主机将实时读取ＧＰＳ信号ꎬ并自动将位置信息加载到侧扫声呐仪的测量数据上ꎮ本次外业调查选用了南方测绘Ｓ８６ＴＲＴＫ双频接收机ꎬ并通过ＧＰＲＳ网络通信服务接入大连市全球卫星导航定位连续运行参考站系统(ＤＬＣＯＲＳ)ꎮ测量区域离大陆最远距离约７ｋｍꎬ充分保证了良好的网络信号ꎬ测量当天定位精度达到厘米级ꎮ
２.５㊀数据处理
由于海洋环境复杂多变ꎬ侧扫系统在成像过程中不仅受船姿㊁风浪㊁海流及船体操纵等因素影响ꎬ还受船速及航向变化㊁声速变化㊁声波束倾斜㊁海底坡度改变等因素的影响ꎬ这些都会导致声呐图像在纵向和横向上存在不同程度的变形ꎬ导致图像位置信息不准确ꎬ给图像处理和判读造成一定困难[１０]ꎮ为了提高人工鱼礁影像的质量和精度ꎬ增强人工鱼礁的识别和判读ꎬ现场勘测结束后ꎬ运用ＨＹＰＡＣＫ软件提取了１０条测线的海底声呐影像和测量时记录的航迹线ꎬ同时ꎬ结合现场调查记录逐条对单条声呐影像进行了数据回放㊁增益调整㊁水柱消除和目标物标记ꎬ实现了对图像的去噪㊁识别和检索处理ꎬ提高了
６３㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀测绘与空间地理信息㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１９年
人工鱼礁图像的准确性和可靠性ꎬ并对多条编辑好的测线图像进行了镶嵌和拼接㊁匹配ꎬ最终形成图像清晰㊁灰度一致的测区完整的海底地形和人工鱼礁影像图ꎮ
３㊀测量结果和分析
经上述一系列的数据处理后ꎬ最终编绘而成的人工鱼礁影像如图２所示ꎮ其中ꎬ单组人工鱼礁礁影像如图３所示ꎮ为了对工程区投礁前后的海底地形进行对比ꎬ以便更好地判定人工鱼礁和计算㊁核对人工鱼礁礁体数量ꎬ在人工鱼礁投礁前ꎬ对投礁区的海底地形进行了侧扫声呐本底调查ꎬ调查结果如图４所示ꎮ同时ꎬ为了进一步验证侧扫人工鱼礁影像图的准确性ꎬ根据人工鱼礁前期侧扫结果ꎬ选取部分测量点位ꎬ由专业潜水员下潜到海底ꎬ对人工鱼礁进行测量复核ꎬ并进行摄像
ꎮ
图２㊀工程区人工鱼礁影像整体图Ｆｉｇ.２㊀Ｏｖｅｒａｌｌｉｍａｇｅｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｒｅｅｆｉｍａｇｅ
㊀㊀㊀㊀ｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ａｒｅａ
图３㊀人工鱼礁礁单组影像图
Ｆｉｇ.３㊀Ｓｉｎｇｌｅｇｒｏｕｐｉｍａｇｅｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｆｉｓｈ
ｒｅｅｆ
图４㊀工程区投礁前海底地形侧扫声呐影像图Ｆｉｇ.４㊀Ｉｍａｇｅｏｆｔｈｅｓｉｄｅｓｃａｎｏｆｔｈｅｓｅａｂｅｄｉｎ㊀㊀㊀㊀ｆｒｏｎｔｏｆｔｈｅｒｅｅｆｉｎｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔａｒ
异形总动员ｅａ从图２与图４的对比中ꎬ即投礁前后的海底地形声呐影像图的对照中能直观地辨别人工鱼礁ꎬ如图２中标注区域ꎬ经潜水员下潜到该区域拍摄的照片进行验证ꎬ与实际情况吻合ꎮ从图３上明显看到单组人工鱼礁礁由７个
人工鱼礁基本单元组成ꎬ而每个人工鱼礁基本单元又由５个人工鱼礁礁体组成ꎬ即每组人工鱼礁礁由３５个单个人工鱼礁礁体组成ꎮ从图３中可以清楚看到工程区有１２组人工鱼礁礁ꎬ即可计算出整个工程区有１２ˑ３５＝４２０个礁体ꎬ与实际投放礁体的数量一致ꎮ另外运用侧扫勘测结果提取的人工鱼礁坐标来指引潜水员下潜工程区准确到人工鱼礁礁体ꎬ也验证了人工鱼礁空间位置测定的准确性ꎮ
４㊀结束语
本文充分利用侧扫声呐系统扫面幅度宽㊁精度高㊁可识别水下目标物的特点ꎬ网络ＲＴＫ技术无需架设㊁操作简便㊁精度高和作用距离远的优势ꎬ实践证明ꎬ侧扫的人工鱼礁图像分辨率高㊁目标直观㊁判定简单ꎬ人工鱼礁位置测量准确ꎬ外业调查操作简单㊁效率高ꎬ网络ＲＴＫ对侧扫声呐系统有很好的补充性ꎬ这两种仪器结合是一种高效㊁切实可行的人工鱼礁探测技术手段ꎮ
但由于海洋环境的复杂性和特殊性ꎬ在实际使用过程中也要注意以下问题:１)现场测量时ꎬ测量船只应尽可能保持匀速㊁沿测线航行ꎬ船速以３节左右为宜ꎬ拖鱼入水后ꎬ不得随意停船或倒车ꎬ同时避免急转弯ꎻ测量过程中ꎬ要时时监视声像信号是否清晰㊁连续ꎬ并做好相关现场记录ꎮ２)在更换测线时ꎬ船
只应大弧度转弯ꎬ保证船只和水下拖鱼在进入测线前对准测线ꎮ３)相邻扫区应保证拖鱼正下方和边缘波束的两次覆盖ꎻ当测量船航向左右偏离计划测线时ꎬ检查是否形成了漏测区ꎮ
参考文献:
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连弩
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方法研究[Ｊ].武汉大学学报：信息科学版ꎬ２０１３ꎬ３８(９):１０３４－１０３８.
[编辑：张㊀曦]
７
３第５期
雷利元等：侧扫系统和网络ＲＴＫ技术在人工鱼礁探测中的应用
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