关于航路扫海测量碍航物探测能力要求的分析与研究
肖俊艳
摘 要：本文利用目前现有的扫测手段，对航路扫海测量碍航物探测能力进行分析与研究，为航路大范围区域扫海测量方案的制定提供可靠依据，为保质保量完成全部测量工作提供了坚实的数据基础，从而提高工作效率，节约测量成本。
关键词：航路；扫海测量；碍航物；探测能力
0 引 言
随着海洋强国战略、“一带一路”倡议的推进实施，中国的海洋运输业呈快速发展趋势。由于渤海所处的特殊经济地位和渤海自然因素的限制，超大型船舶航路规划建设尤为重要。交通运输部海事局特制定了近年海事测绘工作计划，组织北海航海保障中心天津海事测绘中心对渤海及以东水域7条干线双向航路分期分阶段进行扫海测量工作，其目的是为获取测区的水深情况、探明海底碍航物分布情况，为编绘所需的港口航道图提供可靠的基础资料。本文通过对2015年《烟台至大连航路测量》，2015、2016年《老铁山水道至秦皇岛航路（部分）测量》，2017年《成山角至老铁山航路（部分）测量》等大型干线双向航路扫海测量获取的成功经验进行总结，重点针对航路扫海测量碍航物探测能力进行阐述，供广大海道测量人员参考。
1 航路碍航物探测能力要求的解读
1）按照《IHO海道测量规范（S-44）》2008第5版要求，碍航物探测能力是以探测立方体的边长大小作为衡量碍航物探测能力的指标。特等水域（指水深普遍浅于（含）40m，船舶富裕吃水很小的区域，如港池、泊位、航道、底质为岩石的水域），扫海测量探测能力要求能够发现边长大于1m的立方体海底特征物；一等（a类）水域（指水深普遍浅于（含）40m，但船舶在此航行有较大的富裕水深，或水深介于40m和100m，因碍航物等原因存在（含）40m水深或有潜在危险，如习惯性航路、定线制区域），扫海测量探测能力要求水深小于等于40m时能够发现边长大于2m的立方体海底特征物，水深大于40m时立方特征物为水深值10%；一等（b类）水域（指水深介于40m至100m（含）有碍航物存在但对船只航行不构成影响）探测能力不作要求；二等水域（指水深普遍大于100m，只需要对海底水深一般描述可以满足航行需要）探测能力不作要求。
2）按照《沿海港口航道测量技术要求》JT/T954-2014要求，扫海测量精度中是这样描述碍航物探测能力的，见表1，并另外做了如下说明：
（1）当水深小于30m时，扫海测量精度应符合特等测量精度要求。当水深大于30m时，扫海测量精度应符合一等至二等测量精度要求。
（2）出于航海安全的考虑，可考虑使用精确的特等器械来扫海，以确保经特等和一等测量的水域具有最小安全富裕水深。
（3）选定的40m水深值已考虑船舶最大的可能吃水。
3）综上所述，航路扫海测量碍航物探测能力要求，当水深小于30m时，扫海测量精度应符合特等测量精度要求中系统探测能力要求，即能够发现边长大于1m的立方体海底特征物。当水深大于30m时，扫海测量精度应符合一等（a类）测量精度要求，即能够发现边长大于2m的立方体海底特征物；水深大于40m时，立方特征物为水深值10%。
2 航路扫海设备及精度指标中探测能力的解读
目前，航路扫海测量采用的扫海设备有侧扫声呐、多波束，不同型号的侧扫声呐、不同型号多波束精度指标的探测能力不同。
1）侧扫声呐精度指标探测能力解读，仪器技术指标中垂直航迹方向分辨率，是指垂直于航迹线方向所能探测到最小物体能力，同时应注意要求的频率、量程、船速等要求；沿航迹方向分辨率，是指沿航迹线方向所能探测到的最小物体，同时应注意频率、量程、船速的相关要求。以美国Edgetech公司生产的Edgetech 4200-MP双频侧扫声呐系统进行解读。Edgetech 4200-MP双频侧扫声呐系统精度指标见表2：
根据上表技术指标参数，该仪器探测能力，垂直航迹方向，当频率100 kHz时分辨率为8cm，400kHz时分辨率2cm；沿航迹方向物体探测能力应为水平波束宽度角度的 sin值乘以量程，即频率100kHz时为sin0.64°*量程， 400kHz时为sin0.3°*量程（HDM指高精度模式，HSM指高速模式），一般测量船速控制在6～7kn左右。
2）多波束精度指标探测能力解读，仪器技术指标中波束角大小决定探测物体能力， 以RESON SeaBat7125型多波束测深设备进行解读，该仪器波束角大小为400kHz：0.5°x 1°； 200kHz：1°x 2°；波束角角度的sin值乘以深度值即是物体的探测能力。
3） 综上所述，航路扫海测量在扫海仪器选用上首先应考虑所选仪器精度指标中的探测能力能否满足航路精度指标要求，再次考虑選用宽深比大得多波束及侧扫声呐大量程的作业模式。
3 航路扫海方案的设计与测试
1） 在航路扫海方案设计时，首先应考虑满足规范要求的测量精度，其次应考虑采用适合于超大面积测量的扫海设备，还应考虑提高测量效率和成本的测量理念。渤海湾现有航路水深概略深度为20～80m，每条航路概略面积大于1 000km3为保质、保量完成全部测量工作提供了坚实的数据基础，按现有进出渤海湾船舶最大可能吃水30m。根据目前航路情况，航路水深浅于30m时，扫海测量精度应符合特等测量精度要求，即探测能力能发现1km3的物体。扫测方案设计时，为了满足精度指标基本选用多波束扫测，测线间距布设为水深4～5倍，船速控制在6～7kn，也可选用侧扫声呐扫海加单波束测深同时进行的测量方式，测线间距布设为100m，量程150m，船速控制在6～7kn，上述两种测量方法在航路扫测中，精度高，工作量大，成本高，效率低。2016年，《老铁山水道至秦皇岛航路（部分）测量》采用该设计方案。航路水深深于30m时，扫海测量精度应符合一等（a类）测量精度要求，即探测能力能发现空间特征物大于2m3；水深大于40m时，立方特征物为水深值10%。扫测方案设计时为提高作业效率和保障扫测数据质量，基本选用多波束加侧扫声呐两种不同设备同时进行的方式实施扫海测量。其中多波束测深系统提供水深的同时，其采集的数据弥补了侧扫声呐声弱区声呐影像变形大的缺点，可以显著提高侧扫声呐声弱区可疑信号辨识率。测线间距400～500m，单侧量程300m，船速控制在6～7kn，但工前在测量海区内预定深度进行设计方案的测试，根据测试结果进行技术方案的调整，满足精度指标后方可扫海测量。2017年，《成山角至老铁山航路（部分）测量》采用该设计方案。
2）为了验证扫测方案的可行性对扫测方案进行如下测试
将系有浮漂的大箱体（箱体体积的大小根据精度指标而定），内置沙石袋，抛掷到预定深度测区内较平坦海域。待箱子在海底坐实稳定后，用多波束扫测确定目标物准确位置及姿态，再调整测量船距浮漂的距离并按照扫测方案计划预定测线进行多次测试。测试过程中侧扫声呐选取HDM和HSM两种模式下不同量程、不同距离、不同船速进行数据采集，经过对声呐图像进行判读，选取代表性图片进行说明。测试过程中多波束选取覆盖宽度、船速进行数据采集，进行图像判读，选取代表性图片进行说明。侧扫声呐扫测结果显示侧扫声呐在选取合适参数情况下，其声呐图像可发现实验的目标物，图像清晰。多波束扫测结果显示可发现实验目标，图像清晰，且能覆盖侧扫声呐声弱区宽度，标注当时测试船速。 综合测试结果，确定测线间距、量程、测量模式、船速等相关参数，并应保证相邻扫测趟的有效探测区域能充分覆盖，多波束测深数据可弥补声呐声弱区缺点，可满足航路扫测方案要求。
4 结论和建议
综上所述，本人建议超大型航路扫海测量采用多波束加侧扫声呐两种不同设备同时进行的方式实施扫海测量，该扫测方法实现了一个平台多种设备共同使用，丰富了沉船等碍航物扫测方法，对其继续优化改进，可达到一次测量采集两种数据、显著提高作业效率的效果，但测量前一定在测区内进行扫测方案测试，满足精度指标后才能进行，在测量工作中若发现新问题并及时更改和解决，2017年《成山角至老铁山航路（部分）测量》是成功范例。
摘 要：本文利用目前现有的扫测手段，对航路扫海测量碍航物探测能力进行分析与研究，为航路大范围区域扫海测量方案的制定提供可靠依据，为保质保量完成全部测量工作提供了坚实的数据基础，从而提高工作效率，节约测量成本。
关键词：航路；扫海测量；碍航物；探测能力
0 引 言
随着海洋强国战略、“一带一路”倡议的推进实施，中国的海洋运输业呈快速发展趋势。由于渤海所处的特殊经济地位和渤海自然因素的限制，超大型船舶航路规划建设尤为重要。交通运输部海事局特制定了近年海事测绘工作计划，组织北海航海保障中心天津海事测绘中心对渤海及以东水域7条干线双向航路分期分阶段进行扫海测量工作，其目的是为获取测区的水深情况、探明海底碍航物分布情况，为编绘所需的港口航道图提供可靠的基础资料。本文通过对2015年《烟台至大连航路测量》，2015、2016年《老铁山水道至秦皇岛航路（部分）测量》，2017年《成山角至老铁山航路（部分）测量》等大型干线双向航路扫海测量获取的成功经验进行总结，重点针对航路扫海测量碍航物探测能力进行阐述，供广大海道测量人员参考。
1 航路碍航物探测能力要求的解读
1）按照《IHO海道测量规范（S-44）》2008第5版要求，碍航物探测能力是以探测立方体的边长大小作为衡量碍航物探测能力的指标。特等水域（指水深普遍浅于（含）40m，船舶富裕吃水很小的区域，如港池、泊位、航道、底质为岩石的水域），扫海测量探测能力要求能够发现边长大于1m的立方体海底特征物；一等（a类）水域（指水深普遍浅于（含）40m，但船舶在此航行有较大的富裕水深，或水深介于40m和100m，因碍航物等原因存在（含）40m水深或有潜在危险，如习惯性航路、定线制区域），扫海测量探测能力要求水深小于等于40m时能够发现边长大于2m的立方体海底特征物，水深大于40m时立方特征物为水深值10%；一等（b类）水域（指水深介于40m至100m（含）有碍航物存在但对船只航行不构成影响）探测能力不作要求；二等水域（指水深普遍大于100m，只需要对海底水深一般描述可以满足航行需要）探测能力不作要求。
2）按照《沿海港口航道测量技术要求》JT/T954-2014要求，扫海测量精度中是这样描述碍航物探测能力的，见表1，并另外做了如下说明：
（1）当水深小于30m时，扫海测量精度应符合特等测量精度要求。当水深大于30m时，扫海测量精度应符合一等至二等测量精度要求。
（2）出于航海安全的考虑，可考虑使用精确的特等器械来扫海，以确保经特等和一等测量的水域具有最小安全富裕水深。
（3）选定的40m水深值已考虑船舶最大的可能吃水。
3）综上所述，航路扫海测量碍航物探测能力要求，当水深小于30m时，扫海测量精度应符合特等测量精度要求中系统探测能力要求，即能够发现边长大于1m的立方体海底特征物。当水深大于30m时，扫海测量精度应符合一等（a类）测量精度要求，即能够发现边长大于2m的立方体海底特征物；水深大于40m时，立方特征物为水深值10%。
2 航路扫海设备及精度指标中探测能力的解读
目前，航路扫海测量采用的扫海设备有侧扫声呐、多波束，不同型号的侧扫声呐、不同型号多波束精度指标的探测能力不同。
1）侧扫声呐精度指标探测能力解读，仪器技术指标中垂直航迹方向分辨率，是指垂直于航迹线方向所能探测到最小物体能力，同时应注意要求的频率、量程、船速等要求；沿航迹方向分辨率，是指沿航迹线方向所能探测到的最小物体，同时应注意频率、量程、船速的相关要求。以美国Edgetech公司生产的Edgetech 4200-MP双频侧扫声呐系统进行解读。Edgetech 4200-MP双频侧扫声呐系统精度指标见表2：
根据上表技术指标参数，该仪器探测能力，垂直航迹方向，当频率100 kHz时分辨率为8cm，400kHz时分辨率2cm；沿航迹方向物体探测能力应为水平波束宽度角度的 sin值乘以量程，即频率100kHz时为sin0.64°*量程， 400kHz时为sin0.3°*量程（HDM指高精度模式，HSM指高速模式），一般测量船速控制在6～7kn左右。
2）多波束精度指标探测能力解读，仪器技术指标中波束角大小决定探测物体能力， 以RESON SeaBat7125型多波束测深设备进行解读，该仪器波束角大小为400kHz：0.5°x 1°； 200kHz：1°x 2°；波束角角度的sin值乘以深度值即是物体的探测能力。
3） 综上所述，航路扫海测量在扫海仪器选用上首先应考虑所选仪器精度指标中的探测能力能否满足航路精度指标要求，再次考虑選用宽深比大得多波束及侧扫声呐大量程的作业模式。
3 航路扫海方案的设计与测试
1） 在航路扫海方案设计时，首先应考虑满足规范要求的测量精度，其次应考虑采用适合于超大面积测量的扫海设备，还应考虑提高测量效率和成本的测量理念。渤海湾现有航路水深概略深度为20～80m，每条航路概略面积大于1 000km3为保质、保量完成全部测量工作提供了坚实的数据基础，按现有进出渤海湾船舶最大可能吃水30m。根据目前航路情况，航路水深浅于30m时，扫海测量精度应符合特等测量精度要求，即探测能力能发现1km3的物体。扫测方案设计时，为了满足精度指标基本选用多波束扫测，测线间距布设为水深4～5倍，船速控制在6～7kn，也可选用侧扫声呐扫海加单波束测深同时进行的测量方式，测线间距布设为100m，量程150m，船速控制在6～7kn，上述两种测量方法在航路扫测中，精度高，工作量大，成本高，效率低。2016年，《老铁山水道至秦皇岛航路（部分）测量》采用该设计方案。航路水深深于30m时，扫海测量精度应符合一等（a类）测量精度要求，即探测能力能发现空间特征物大于2m3；水深大于40m时，立方特征物为水深值10%。扫测方案设计时为提高作业效率和保障扫测数据质量，基本选用多波束加侧扫声呐两种不同设备同时进行的方式实施扫海测量。其中多波束测深系统提供水深的同时，其采集的数据弥补了侧扫声呐声弱区声呐影像变形大的缺点，可以显著提高侧扫声呐声弱区可疑信号辨识率。测线间距400～500m，单侧量程300m，船速控制在6～7kn，但工前在测量海区内预定深度进行设计方案的测试，根据测试结果进行技术方案的调整，满足精度指标后方可扫海测量。2017年，《成山角至老铁山航路（部分）测量》采用该设计方案。
2）为了验证扫测方案的可行性对扫测方案进行如下测试
将系有浮漂的大箱体（箱体体积的大小根据精度指标而定），内置沙石袋，抛掷到预定深度测区内较平坦海域。待箱子在海底坐实稳定后，用多波束扫测确定目标物准确位置及姿态，再调整测量船距浮漂的距离并按照扫测方案计划预定测线进行多次测试。测试过程中侧扫声呐选取HDM和HSM两种模式下不同量程、不同距离、不同船速进行数据采集，经过对声呐图像进行判读，选取代表性图片进行说明。测试过程中多波束选取覆盖宽度、船速进行数据采集，进行图像判读，选取代表性图片进行说明。侧扫声呐扫测结果显示侧扫声呐在选取合适参数情况下，其声呐图像可发现实验的目标物，图像清晰。多波束扫测结果显示可发现实验目标，图像清晰，且能覆盖侧扫声呐声弱区宽度，标注当时测试船速。 综合测试结果，确定测线间距、量程、测量模式、船速等相关参数，并应保证相邻扫测趟的有效探测区域能充分覆盖，多波束测深数据可弥补声呐声弱区缺点，可满足航路扫测方案要求。
4 结论和建议
综上所述，本人建议超大型航路扫海测量采用多波束加侧扫声呐两种不同设备同时进行的方式实施扫海测量，该扫测方法实现了一个平台多种设备共同使用，丰富了沉船等碍航物扫测方法，对其继续优化改进，可达到一次测量采集两种数据、显著提高作业效率的效果，但测量前一定在测区内进行扫测方案测试，满足精度指标后才能进行，在测量工作中若发现新问题并及时更改和解决，2017年《成山角至老铁山航路（部分）测量》是成功范例。
