近海海底不规则堆积体体积高精度量算技术与应用

徐国强,杜 军,田梓文,闫文文,崔爱菊

(国家海洋局 第一海洋研究所,山东 青岛266061)

海底堆积体体积量算是航道疏浚等海洋工程成本核算的重要支撑技术,其中人工倾倒导致的海底堆积体体积量算也是海洋执法部门查处非法疏浚物倾倒案件的事实基础和处罚依据。海底地形本身复杂多变,其上堆积体也是形态各异,尤其是人工倾倒物更具有不规则性,因此,海底堆积体体积的计算具有不易识别、形态复杂、探测难度大等特点。目前,海底堆积体方量的常用计算方法有断面法[1]、DEM数字高程模型法[2]、方格网法[3]、区域土方量平衡法和平均高程法等。其中,断面法中断面线的布设距离太远会降低精度,距离太近则工作量增大。DEM法精度较高,但其实际精度受原始数据采集误差和高程内插误差方面制约。方格网法精度较高,但适用性差,常应用于场地较为平坦的体积计算。基于此,依托山东省日照海域相关探测项目,综合应用高精度多波束、参量阵极浅地层剖面仪和地理信息系统软件,总结了一种计算海底堆积体体积的方法。该方法采用的多波束和浅地层探测技术已是海洋调查中广泛应用的技术,在保障体积体计算精度的同时可大幅提高探测效率,因而降低了海洋执法成本,在海洋工程科学用海和管理部门依法治海方面具有较大的应用价值。

1 计算原理

海底堆积体的体积计算原理是利用水深测量获取的现状海底地形与浅地层测量获取的原始海底地形的数据,通过GIS的三维分析功能模块计算获得。

通过获取的现状海底地形(多波束测量)和原始海底地形数据(浅地层剖面测量)分别拟合海底堆积体顶界面模型A和底界面模型B,并分别确定顶、底界面模型中水深的最大值与最小值;然后,假定一个基准面D,该平面水深需小于顶界面最小水深或大于底界面最大水深;最后,采用GIS方法分别计算平面D和界面A拟合成的不规则体体积VDA、平面D和界面B拟合成的不规则体体积VDB,堆积体体积V为二者之差(图1):

式中:VDA为现状体积;VDB为原体积。

图1 堆积体体积计算示意图Fig.1 A schematic diagram showing the volume calculation of submarine accumulations

2 海底堆积体外业量测

2.1 测量设计

堆积体顶面测量设计为多波束全覆盖采集,底界面测量设计采用浅剖仪探测原始海底,比例尺为1∶5 000,中间采用GIS进行线性内插。本次测线布设原则为沿等深线走向布设,并且综合考虑测区的主流向,沿NE—SW向共布设56条,另垂直主测线布设了4条检查线。由于多波束测量需要全覆盖,并且至少有10%重叠,因此在测量过程中适当地对测线进行调整,本次多波束测量的实际水深为20～28 m,测量覆盖宽度随着水深变化。由于水深变化不大,本次外业数据采集的测线间距为75 m,测线布设图见图2。本研究使用的坐标系为CGCS2000,中央经线120°E,投影为高斯-克吕格投影。

图2 研究区位置和测线布设示意图Fig.2 Location of the study area and layout of the surveying lines

2.2 测量设备

堆积体顶面测量设备为美国R2SONIC公司产的SONIC2024条带多波束测深系统:工作频率为200～700 k Hz,实时在线可调,步长10 k Hz;左舷、右舷、下视探测波束角为0.5°,前、后探测波束角为1.0°;波束数目256个;覆盖宽度最大160°,10°～160°在线连续可调;探测分辨率0.6 cm。

堆积体底面探测设备为德国INNOMAR公司产的SES-96参量阵测深/极浅剖仪:发射频率为一次频率100 k Hz,二次频率4,5,6,8,10和12 k Hz;功率12 k W;测深深度为1～300 m;低频波束角为±1.8°;采样分辨率5 cm。

辅助设备为MRU姿态传感器,消除波浪影响,动态精度0.15°,涌浪精度5 cm。

2.3 外业测量

多波束测量之前,在研究区内进行校准,校准参数有横摇(ROLL)、纵摇(PITCH)、艏向(HEADING)。同时精确测定研究区内的声速剖面,对声线的弯曲进行声学跟踪,提高测量精度。在勘测中实施全方位的质量监测和控制:采用高精度DGPS导航定位系统,以便使动态定位精度在1.0 m以内。测量中船只偏离设计测线不超过5 m。测线间距视水深和仪器的技术参数合理设计,确保两相邻测线的测宽有10%～15%的覆盖,在测线两端至少延长500 m,如测线偏离超过设计要求,立即纠正,必要时予以补测;出航前、归航后和在勘测期间进行探头的吃水深度测量,以便进行吃水改正;在勘测中保证至少在1°×1°的范围内有一个声速剖面,并且每间隔3 h测量一次声速剖面。

调查浅地层资料前,按《海洋工程地形测量规范》[4]等相关规范和仪器操作规程要求,对声学地层探测系统的各种参数进行技术实验及校正。根据测区水深、底质条件,充分调试仪器,选择最佳工作参数。作业期间,降低噪音和其他干扰因素,提高信噪比,保证记录质量;调节好记录时间延迟,使同一测线的记录量程一致。工作船速控制在3～5 kn。

3 海底堆积体体积计算

海底堆积体的体积计算需要本次水深测量获取的海底地形与使用浅地层剖面仪获取的原始海底地形的数据,通过GIS的三维分析功能模块计算获得。

3.1 海底不规则堆积体表面形态分析

多波束主要用于水深全覆盖测量[5-7],本文中用于获取不规则堆积体的顶面形态,理论上其探测精度可达0.6 cm。多波束数据处理采用CARIS HIPS 7.1,根据多波束获取数据绘制的研究区域三维水深(图3)。总体上看,研究区中部分布较多的堆积体,分布范围约10 km2。堆积体一般高出周边海底约1 m,堆积体形状不规则,棱角明显,长度一般为30～60 m。结合高分辨率浅地层资料分析,堆积体形状及分布不符合自然条件形成规律,与周边地形反差较大,南部的浅槽上方同样分布有堆积体。

图4和图5为2处典型海底堆积体局部放大示意图。由图4可知,S16处位于测区的中北部,海底多孤立的小堆积体,堆积体形状不规则。S16区域堆积体较周围海底高约1 m左右,堆积覆盖范围约40 m×60 m,NE—WS走向,而堆积体周边海底平坦。

由图5可知,G08处位于测区的北部,该区为一孤立的小型堆积体,堆积体呈类似火山口的锥型,堆积中部较周围深约0.8 m,整个堆积体直径约28 m。堆积体周边海底平坦,但比堆积体中部要浅约0.2 m。

由此可见,海底堆积体形态极不规则,高低起伏明显。本文以海底堆积体集中区,即图3中黄色范围为研究区域,经过多波束数据处理,得到了海底不规则堆积体的表面形态,记为曲面A。

图3 研究区三维水深图Fig.3 The 3-D bathymetric map of the study area

图4 S16处海底地形示意图Fig.4 Sketch map of seafloor topography at S16

图5 G08处海底地形示意图Fig.5 Sketch map of seafloor topography at G08

3.2 海底堆积体底边界形态分析

浅剖仪主要用于探测海底以下地层结构与构造[8],本文中主要用于探测不规则堆积体的底部边界,采样分辨率理论上可达5 cm。

通过分析浅地层反射数据,发现在海底堆积物存在的区域,上覆地层以下可见一较强声学反射界面(图6),并且该界面在无堆积物的区域与海底面连续性较好,因此推测该界面为原始的海底面。该界面以下的1～2 m范围内的地层大致呈平行层理的地层结构,而界面以上的堆积体地形起伏较大,层间呈杂乱强反射,结合多波束与地貌资料基本可以判定现状海底界面和原始海底界面之间为外来堆积物填充。与多波束调查结果一致性较好。

使用ISES后处理软件将浅地层资料直接屏幕数字化。资料处理时根据声学记录图像,将各相关定位点的水深和各声学地层界面的埋藏深度值按规定比例尺进行标注,资料解译时计算各特征位置的高度差。以原海底为基准,共提取出20 114个海底堆积物的位置(X1,X2,X3,…,X20114)和高差(H1,H2,H3,…,H20114)。根据前文多波束测深数据,提取相应位置高程(A1,A2,A3,…,A20114),减去对应高差得到原始海底高程信息(B1,B2,B3,……B20114)。在20 114个浅地层剖面仪获取的海底地形点基础上,为了有效覆盖整个堆积体分布范围,在堆积体周边平坦海底均匀选取10个点作为原海底点。最后使用ARCGIS将20 124个点构建TIN模型,获得原海底曲面B。

图6 堆积物分布区浅地层典型图像Fig.6 Typical profiles of shallow strata in the area where submarine accumulations are distributed

3.3 堆积体体积计算

堆积体体积计算采用ARCGIS的三维分析模块[9]中的Surface volume功能。据3.1和3.2节计算结果分别计算平面D和界面A拟合成的不规则体VDA,以及D平面和B界面拟合成的不规则体体积VDB。

在研究区取水深26 m平面为基准面D,计算体积为VDA=43.6×106m3和VDB=39.8×106m3。所用多波束测深系统的探测分辨率为0.6 cm,浅剖仪采样分辨率理论上可达5 cm,设备探测精度可达厘米级;数据处理过程中多波束资料误差保持和浅地层剖面深度的误差保持在5 cm以内,本次多波束成图网格采用0.5 m×0.5 m间隔,本次测量误差为±1.2×105m3。依据式(1)得到堆积体体积为 (3.8±0.12)×106m3。

4 结 论

本文基于高精度多波束和参量阵极浅地层测量技术,总结了一种高精度计算海底堆积体体积的方法。即提取海底堆积物表面多波束(地形)数据以及堆积体浅地层剖面(厚度)数据,通过GIS叠加及三维分析,可获得高精度海底堆积体体积数据。最后通过日照海洋调查工程数据的实际测量与计算,证明了方法的可行性和精确性,并得到结论:

1)在确定海底堆积体范围时,同时参考了海底底质沉积物样品分析的成果,证明原状海底与堆积体海底在现场物理特征、粒度特征、元素特征和碎屑矿物特征等指标方面存在差异,分析结果与多波束和浅地层探测成果相吻合。

2)基于目前海洋工程调查中经常采用的多波束测深技术、浅地层剖面探测技术以及GIS叠加后处理方法,总结了高精度量算海底堆积体积的方法,其原理简单、易于实现且精度高。

3)该技术可应用于航道疏浚、海域使用等工程量算,为相关海洋工程施工单位成本核算提供基础数据以及为海洋执法提供相关依据;而且,声学地层探测技术也可对海底下地层中发育的特殊充填的自然沉积体(埋藏古河道、古三角洲、透镜体等)进行识别并量算其相关参数,为海洋古环境研究提供一种高效、高精度的技术手段。

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