刘方兰余平肖波罗伟东（广州海洋地质调查局广州 510760）E-mail：lflhome@摘要：近年来，在深水进行多波束水深测量使用最多的是SeaBeam2112系统和EM120系统。
本文作者根据这两套系统在相同海域的实测资料，进行了数据密度、地形剖面以及不同比例尺成果图的对比，两套不同系统在深水测量具有较好的一致性，但EM120系统测量数据相对密度较大，分布均匀，可以绘制更大比例尺地形图。
关键词：EM120 SeaBeam 多波束测深比较中图分类号： P24至2006年底，我国海域200m以深海域已经完成了大约80％面积的多波束全覆盖水深测量，主要使用的测深系统有SeaBeam2112、SeaBat 8150以及EM120系统。
随着国土资源大调查项目的开展，深水海域多波束水深测量仍将继续进行。
目前，多波束测深技术的已经普及，专业海洋调查船一般都会固定安装的多波束测深系统，而且多波束测深技术还在不断发展与更新，这样，用于水深测量的多波束系统的种类还会越来越多。
不同种类的多波束系统的实际测量效果如何？它们的测量精度如何？它们的测量结果有何区别？这些都是我们关心的问题。
本文利用2004年6月SeaBeam2112和Em120两套多波束系统在南海北部相同海域测量资料，对两系统测量数据密度、测量精度以及成果图等进行了比较。
1.深水多波束系统简介测深范围在5000m以上的深水多波束测深系统主要有SeaBeam系列、EM系列、SeaBat 系列和DS系列四种，我国目前拥有其中前三个系列的深水系统：SeaBeam 2112系统、EM120多波束系统和SeaBat8150系统。
SeaBeam2112多波束系统是美国SeaBeam公司声纳技术军转民的第二代产品，工作频率12kHz，测量水深10～11000m，波束大小为2.0°×2.0°，最大波束数151个。
80年代以来，SeaBeam2112系列多波束系统大量应用于海洋地形地貌测量。
EM120多波束系统是Kingsberg Simrad公司90年代中后期产品，工作频率与测深范围与SeaBeam2112系统一样，波束大小有1°×1°～2.0°×2.0°，最大条幅开角140°，最多可以接收191个波束。
由于该系统良好的的技术性能，很快成为全球海洋测量使用较多的深水多波束系统，目前在世界上拥有最多的用户。
新的SeaBat8150系统技术指标相对其他系统，其深水测量的分辨率具有明显的优势，但因国内用户少，没有实际应用的资料。
广州海洋地质调查局于1994年在国内率先引进SeaBeam2112多波束系统，安装于“海洋四号”船上。
多年来，“海洋四号”船多波束测深的范围遍及南海、东海、太平洋，覆盖的面积超过了40万平方公里，取得了大量的实际资料，特别是在南海，由于使用了差分GPS 定位，多波束测量资料精度高，质量可靠。
中国大洋协会属下“大洋一号”科学考察船早期于1995安装了同样的SeaBeam系统，但2003年把SeaBeam2112系统更新为现在的EM120系统，2004年已经正式投入使用。
国内还有一些海洋调查和研究机构也装备有不同型号的深水或中深水多波束系统，但公开的资料少，特别是很少有可进行对比的测量资料。
2004年6月，拥有EM120系统的德国太阳号来到南海进行调查，为SeaBeam2112、EM120这两套深水多波束系统的实测对比提供了条件。
2004年，广州海洋地质调查局和德国基尔大学Leibniz海洋科学研究所合作项目（SiGer）——“南海北部陆坡甲烷和天然气水合物分布、形成及其对环境影响的研究”，海上调查使用德国“太阳号”考察船。
期间，对南海北部东沙及西沙海域地区进行了多波束水深测量。
在这两个区域，海洋四号船都进行了多波束全覆盖测量。
这两套多波束系统在相同区域测量时采用的系统参数以及基本条件如表1。
表1 两套系统技术指标与数据采集参数比较项目 海洋四号SeaBeam2112系统 太阳号EM120系统基本技术参数频率12kHz，工作水深10～11000m，2°×2°波束，最大开角150°，最多151个波束频率12kHz，工作水深10～11000m，1.5×1.5°波束，最大开角150°，最多191个波束工作海况小于2.0m，风力小于6级小于2.0m，风力小于6级船速 15节左右9节左右条幅开角 140°，等角模式 120°，等距模式系统校正实时声速校正、纵倾横摇参数校正实时声速校正、纵倾横摇参数校正其他 5.0m吃水深度改正，未作潮汐校正 4.3m吃水深度改正，未作潮汐校正3.实测资料的对比3.1测深数据的密度比较多波束系统全覆盖测量并不是测量后海底每个点都有数据，虽然条幅间互相重叠，但数据不论是纵向还是横向都有一定的间距。
如果这种数据分布均匀而且间距越小，则越能真实反映海底起伏状况，并与“全覆盖”测量相匹配；反之，如果这些数据在纵向上，或横向上间距很大，或者分布很不均匀，表现在地形图中就会遗漏某些细微地形地貌特征。
所以，即使是全覆盖的多波束地形测量，测量数据的密度和分布状况也是非常重要的。
SeaBeam 2112多波束系统工作时，只能采用等角工作模式，波束间距为1°，在测量中，虽然可以控制其条幅开角，但条幅增大或减小，相应波束数也会增加或减小。
等角工作模式，意味着波束横向间距是随着波束角的增大而增大的，中间波束间距相对较小，越往边缘，波束间距不断增加。
以在水深3000m左右的海域的实际资料为例：SeaBeam系统最多能接收120～130个波束，它们波束间距从40m一直增加到200多米（图1），实测数据显示，在45°波束范围内，波束间距小于100m，而大于45°的波束，很快增加到200m以上，显然就形成了海底数据密度不均匀特点（如图2）。
图2显示中间波束相对较密，而边缘波束则较为稀疏。
EM120多波束系统除与SeaBeam系统相同的等角工作模式外，还有等距工作模式，这种工作模式在实际测量中非常重要。
实行等距工作模式，保证了每次发射接收到的波束，即每个条幅内的波束，它们的间距基本相等。
间距的大小取决于选择的条幅开角大小，有多种条幅开角选择（如90°、120°和140°），对应的波束间距分别为水深的1％、2%和3％。
在3000m左右水深区域进行测量，正常选择条幅开角120°，这样各条幅波束间距基本在60m 左右（图3），如果采用90°条幅开角的等距工作模式，波束点间距只有30m左右。
图3是EM120系统在平均水深2935m海域120°条幅开角等距模式测量数据点实际分布图（左侧条幅），图 1 SeaBeam系统不同波束与波束间距关系图[1]图2 SeaBeam系统实测数据分布图（左侧条幅）图3 EM120测量数据分布图（左侧条幅）SeaBeam 2112多波束系统及EM120多波束系统在其技术指标中，都明确表示达到了IHO 所要求精度[2]，全部波束测量水深相对误差小于水深的0.5%。
但是，它们在深水区实际测量误差却无法核实。
本文尝试采用地形剖面法，对它们测量的相对误差进行比较。
图4是南海北部海域局部区块地形图，SeaBeam2112系统及EM120系统均对该区进行了全覆盖测量。
图中红色虚线A-B是地形剖面位置。
分别在两系统测量获得的原始数据中，查找位于地形剖面A-B上（或在其50m附近）的水深数据点，利用连续的水深数据点绘制地形剖面图。
如图5，红色线代表SeaBeam数据，黑色线（点）代表EM120数据。
从图中看出，两系统原始数据的重复程度非常好。
根据剖面上重复测点水深差统计，误差平均值为6.23m，相对误差为0.29％（按平均水深2000m计）。
图4 1:25万地形图（EM120实测资料）图5 地形剖面对比图在建立数字高程模型时，不同比例尺地形图除对测量精度的要求外，同时要求不同的格网单元间距[3]（如表1），每个网格内至少有四个数据。
如果数据密度不均匀时，在进行数据网格化后，要么造成高密度数据的浪费（网格间距大时），要么在稀疏数据区虚假地形现象（数据网格大或插值较多时）。
也就是说，要突出多波束测量的高数据密度的特点，只有当纵向和横向波束间距基本相同时才能最详尽展现地形地貌特征。
以在3000m水深区测量为例，EM120系统采用120°条幅等距工作模式，波束数据点间距（横向）60m左右。
纵向波束间距取决于船速，假定船速度12节，则纵向波束间距约为60m。
这样，EM120系统在3000m 左右水深测量时，能保证纵向横向波束点间距都在60m左右，数据点分布均匀，最小可以采用120×120m间距进行网格化成图，地形图能达到的最大比例尺为1:120,000。
对于SeaBeam2100系统来说，在相同水深区域测量，只有在条幅开角90°的情况下，才能保证边缘波束数据点密度不大于60m×60m。
如果采用120°条幅开角，则由于最边缘波束间隔达200m，最小只能采用400×400m的网格间距，最大成图比例尺仅为1:400,000。
表1 数字高程模型格网间距[2]和数据点密度比例尺格网单元间隔（m）数据点最大密度（m）1:1,000,000 1000/500 500×5001:500,000 500/250 250×2501:250,000 250/100 125×1251:100,000 100/50 50×501:50,000 50/25 25×25图6是某调查区SeaBeam2112系统实测地形图，水深1100～3200m，水深数据平均密度约为100m×100m，因此，成图采用格网间距200×200m。
EM120系统在该相同区域内采集图6 1:25万地形图（SeaBeam2112系统实测）如果使用50m×50m网格间距，对两系统实测数据分别绘制1:100,000地形图（EM120测量结果为如图7b、SeaBeam测量结果如图7a）。
比较图7a、图7b，首先，微细地形地貌特征在图7b中能更多表现出来，如山脊和小的海丘；另外两图中的特征水深点相差较大，其中一个海丘顶部最小水深在图7a中为2382m，图7b中为2274m，相差98m。
由此看来，在相同测量区域，EM120系统测量数据相对SeaBeam2112系统更密、更均匀，能够绘制更详细、更大比例尺地形图。