水下目标探测技术在湛江港应急扫测中的综合应用

摘 要：通过强台风“彩虹”登陆湛江港后开展的应急扫测工作，介绍了扫测工程中多种设备、技术的综合应用分析，保障了辖区通航水域航行安全，成为解决水上公共安全危机的一项重要服务，取得了显著的经济效益和社会效益。

关键词：湛江港 彩虹 侧扫声纳 多波束 航行安全 CUBE 融合分析 二三维

1.概述

2015年10月4号下午14时，强台风“彩虹”正面袭击湛江，是1949年以来十月份登陆广东最强的台风，给当地造成严重损失。湛江港数十艘船舶损坏、沉没或搁浅，并有大量集装箱和码头吊机等重型装备掉落入海，大西南和华南地区货物出海主通道的湛江港航道、港池回淤情况不明，湛江港码头生产全面停止，航道全方位封锁，严重影响湛江市的救灾复产工作，亟待摸清水下状况，保障船舶通航安全。

2.平面及高程基准

（1）平面控制：坐标系采用2000国家大地坐标系，高斯3°带投影，中央子午线为111°。

（2）高程基准：高程基准面采用1985国家高程基准，深度基准采用当地理论最低潮面。

3.侧扫声纳扫测

使用侧扫声纳对湛江港进行全覆盖扫测，保证声纳声波在两条测线之间区域100%重叠，不遗漏目标。探测时声纳高低频同时发射，获取最佳图像效果。发现可疑物体时变换测线方向，使声纳从不同方向探测目标，获取目标物体不同方向的影像。

EdgeTech 4200 MP侧扫声纳数据采集和图像判读采用DISCOVER软件进行，Klein Hydroscan数据采集和图像判读使用SonarPro软件进行。数据后处理和图像镶嵌采用Hypack 2014软件完成，通过人机交互判读，量取目标大小和阴影高，与实物进行反复比较，确认疑似物体。

4.多波束测深系统扫测

多波束测深系统扫测同时进行Snippets数据采集，针对特殊障碍物测量还进行了水柱数据（Water Column Image）和反散射数据（侧扫/ snippets）采集。

多波束内业数据处理主要采用Caris公司的HIPS and SIPS 8.1软件进行，在线模式下主要是对数据采集软件采集来的各传感器数据（XTF格式）进行处理，采用CUBE算法，对多波束海量数据进行初步处理，对水深数据设定各项合理的过滤参数删除大部分的假信号，极大的减少了多波束内业处理工作量，提高了工作效率。

5.探测技术的综合应用

（1）精良的测量装备。项目实施同时使用五艘测量船舶进行作业，主要采用了Edgetech 4200FS、Klein Hydroscan侧扫声纳系统、Reson7101、R2sonic2024多波束测深系统等扫海设备；多波束数据采集使用Qinsy采集软件；数据处理及制图软件采用Caris Hips和CASS8.0等；三维可视化展示分析使用Caris和Fledermaus等软件。

（2）严谨科学的测量方法。本次应急扫测采用的多手段综合探测方法也代表了目前国内先进的水下地形、地貌及碍航物探测水平。

首先初步摸清测区内水下地貌概况，对可疑碍航物进行标示，然后使用多波束测深系统对测区进行精细扫测，对可疑碍航物进行加密扫测；对集装箱落水区域使用高频侧扫声纳进行扫海测量，获取清晰的高频声图。针对特殊障碍物，还同时进行了水柱数据（water column image）和反散射数据（侧扫/snippets）采集，进一步确定了探测目标性质和最浅通航水深。

（3）技术手段的综合运用。①多波束CUBE算法提升处理效率。多波束数据后处理时采用的CUBE算法是一种快速格网化的方法，通过在Caris HIPS中创建CUBE曲面，根据水深点离曲面格网节点的距离和TPE（总传播误差）不确定值计算出水深点的权重和贡献，最后通过加权平均，求出节点的水深估计，同时也计算出相应水深估计的水深点个数、强度和不确定性，从而通过建立这种快速滤波获取水深数据，可以显著提高多波束数据的处理效率。

②多波束数据和侧扫声纳图像的融合分析。为了提高对水下沉船和集装箱等碍航物的快速判读能力，本次应急扫测综合使用了单波束、多波束和侧扫声纳等多种探测手段，并将所有获取到得数据放入Hypack中进行配准、融合，水深数据和侧扫声图数据相互印证，从而快速判明水下可疑目标信息，建立了一种快速分析水下碍航物的工艺模式。

③二三维一体化呈现扫海成果。使用Caris来处理各种水下地形数据，并将通过Triton预处理完成的侧扫声纳图像和水深数据一并导入到Fledermaus中，建立水下三维可视化场景，从而更加清晰的呈现沉船和集装箱的水下形态，并形成人机交互便于查询水下碍航物的各种参数信息。

6.项目特点

（1）项目急。强台风“彩虹”给当地造成严重损失，湛江港数十艘船舶损坏、沉没或搁浅，并有大量集装箱和码头吊机等重型装备掉落入海，湛江港码头生产全面停止，航道全方位封锁，严重影响湛江市的救灾复产工作和居民的生产生活。急需查明水下障碍物的分布情况，迅速恢复航路通航和码头生产，面对沿岸港口的复产压力和抢险救灾的社会压力，形势万分紧急。

（2）任务重。大西南和华南地区货物出海主通道的湛江港航道全部停航，从内航道到龙腾航道的70km航路全面陷入瘫痪，受灾面积巨大，社会关注度极高，扫测任务需要覆盖湛江港所有的港池、航道、锚地等40处重要通航水域。

（3）测区险。湛江港航道、港池和锚地等重要的通航水域存有大量的沉船、集装箱、鱼排网箱、沉物等碍航物，水下地形、地貌和碍航物情况不明，一时间难以调查统计，基本全部处于未知状态，复杂的测区环境给测量组织实施带来难以想象的困难，且风险系数极高。

（4）施测难。强台风登陆后，造成水电供应的瘫痪，湛江港封航和码头生产停止，面临巨大的社会压力和通航压力，需要尽快恢复航道通航和码头生产，灾后航道及港池等通航水域扫海测量的技术要求和精度要求极高，特别是在极度压缩的测量工期、超级繁重的任务强度和复杂多变的测区环境条件下，更是提升了施测难度等级，对现场组织协调工作的巨大挑战。

（5）设备精。使用的主要设备有多波束测深系统、侧扫声纳系统、DGPS、星站差分GPS、单波束测深仪和涌浪滤波器等，使用先进的测绘设备，采用多种技术手段，综合应用，制作成果产品丰富。测量方法及成果代表了国内外先进的水下地形探测水平。

（6）效率高。以“统一指挥、分工协作、高效精干”为原则，建立了完善的现场指挥管理体系和安全生产保障措施，确定科学合理的扫测方案，通过资源调配、分工协作、科学组织、合理实施、精细测量，在36个小时内完成湛江港主要通航水域的全覆盖扫测，初步查明主航道内的水下碍航物状况，主航道具备-18米的通航能力，湛江港恢复通航。使用3天时间将精确的通航尺度数据提交灾后决策，相关水域相继恢复使用，湛江港生产基本恢复。

（7）成果多样。为满足灾后港区内沿岸各单位、公司的不同需求，在不同阶段和不同水域制作了水深数据成果图、航道港池三维立体图、碍航物分布图、水下物体3D图、航道港池回淤分布图、回淤量分析图和侧扫声纳扫海获得的海底表面图等。

7.结束语

本次应急扫测水域达203平方公里，搜寻到落水集装箱59处、沉船3个，制作水深图52幅。在时间紧、任务重、要求高的紧急情况下，投入大量人力、物理和设备，迅速探明湛江港水下地形地貌第一手资料，项目成果数据齐全、现势性强、质量优良，为海事测绘应急扫测工作的组织实施积累了丰富的工作经验。保障了辖区通航水域航行安全，成为解决水上公共安全危机的一项重要服务，取得了显著的经济效益和社会效益。

项目提供的实时航行保障数据，为管理部门应急指挥快速决策和灾后航运恢复提供了支持，同时为灾后应急预案制定、现场管理和海事安全监管提供了有力的技术和数据支持，项目成果作为主要的决策依据为快速恢复湛江港通航奠定了坚实的基础，避免了持续封航对港口经济带来的进一步影响，保证了湛江正常的社会秩序及社会发展。

目前，侧扫声纳和多波束测深系统等扫海测量手段普遍应用于海上应急扫测工作中，并取得显著的成效，今后，需要不断提升项目的组织管理能力，密切跟踪国内外水下探测技术，制定科学有效的实施方案，发挥多种扫测设备和技术手段的综合效能，提升航海保障工作水平。