李玉海
（山东正元数字城市建设有限公司，264670）
摘 要：本文首先介绍了海洋牧场的概念，并引出了海洋牧场项目管理中对多波束水深测量系统的需求，之后详细介绍了多波束水深测量系统的组成，最后利用Arcgis软件计算海洋牧场人工鱼礁投放量估算的流程。
关键词：多波束测深、Arcgis、海洋牧场、人工鱼礁
多波束测深仪是在回声测深仪的基础上发展起来的海底地形地貌测量系统，在与航迹垂直的方向一次获取几百个深度，从而获得一定宽度的全覆盖水深条带，描绘出海底地形地貌的精细特征，将传统的测深技术从原来的点、线扩展到面。多波束测深仪已经成为海底地形地貌勘测的重要手段，广泛应用于海道测量、海洋工程测量、海底资源勘察、海底光缆路由调查和水下考古测量等领域。
从20世纪50年代，随着渔船机械化、鱼群侦测技术和冷冻技术的广泛使用，渔业资源捕捞能力得到极大的提高，有数据显示，1850年世界渔获量只有150～200万吨，到2016年海洋捕捞已达约8000万吨。掠夺式的捕捞活动是渔业资源枯竭的主因，导致渔业资源逐渐萎缩，因此，发展海水养殖是可持续利用海洋资源的重要方式之一。海洋牧场是新兴的海水养殖产业，它是基于生态学原理，充分利用自然生产力，运用现代工程技术和管理模式，通过生境修复和人工增殖，在适宜海域构建的兼具环境保护、资源养护和渔业持续产出功能的生态系统。国内学者关于海洋牧场的最早研究是曾呈奎老先生，于1981年提出的“海洋农牧化”的设想，是国内关于海洋牧场的最初构想。
一、多波束测深系统组成
多波束测深系统是由多传感器组成的复杂系统，主要包括以下几个子系统：①声学系统：包括多波束发射接收换能器阵和多波束信号处理系统，控制声脉冲的发射、接收和信号处理，构成了多波束系统波束形成和处理的核心部分；②定位系统：定位成了测深系统不可分割的有机组成，要完成海底地形勘测，除了需测定水深外，还要给出被测点准确的空间位置；③定向系统：在测量过程中，船只的航向和航迹方向会存在一定的角度，只有通过定向系统实时测定航向才能将接收到的波束进行正确空间归位；④姿态传感器系统：在进行测量过程中，船受风、浪、涌、流的影响发生横摇、纵摇和垂直起伏，造成波束空间归位错位，需要采用姿态传感器对船姿进行实时改正是保证多波束测量精度和波束准确归位；⑤声速仪系统：一般说来，海水是一种非均匀声学介质，其声速不仅随深度会不断变化，而且声速结构也会随时空不断变化，需要实时实地采集声速剖面数据对声波传输路径进行改正；⑥数据采集系统：各传感器系统实时采集的数据通过数据线汇总至数据采集系统中，数据采集系统根据时间同步技术将各个传感器获取的数据存在一个采集文件。
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图1多波束测深系统组成示意图
二、海洋牧场应用
2015年农业农村部鼓励创建国家级海洋牧场示范区，并制定了相关的海洋牧场建设规划，颁布了《人工鱼礁建设项目管理细则》和《人工鱼礁建设技术规范》等文件，要求在人工鱼礁投放施工时，应当留存全部影像资料、技术资料及投礁前后海区海底多波束侧扫资料，并对达到要求的海洋牧场予以资金支持。因此，申报国家级海洋牧场的企业需要使用先进的海洋勘测手段探明其人工鱼礁的投放位置并估算投放量。
将外业采集的多波束数据导入后处理软件Caris中，经过声速剖面改正、潮汐改正、线模式编辑、SUBSET子区编辑，计算每一条测线的TPU值，生成三维水下地形模型，如图2所示，从水下三维地形模型可以看出，测区投放了大量的石块礁和船礁，投放的人工鱼礁无规律分布在海床面上，造成了局部的水下地形隆起。
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图2 投礁区水下三维模型
将Cairs导出的XYZ数据导入Arcgis中采用“拉伸”着色法渲染投礁区的水深地形图。通过Arcgis的“掩膜裁剪”工具提取人工鱼礁斑块栅格数据，并计算生成鱼礁斑块属性表，直接得到鱼礁斑块的面积，最小高程和最大高程。通过“矢量转栅格”工具，将斑块的矢量数据转换为栅格数据，栅格数据网格大小为0.1米，高程为每个鱼礁斑块的最小高程。最后通过GIS的“挖填方”工具，计算鱼礁斑块的空方量。
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图3 人工鱼礁斑块掩膜裁剪
三、结束语
综上所述，多波束测深技术可以准确获取投礁区精细的水下地形地貌数据，构建精细的水下三维模型，并借助Arcgis强大的空间分析，估算的人工鱼礁投放量与实际投放量相差较小，相对误差稳定，适用于大堆型人工鱼礁投放量估算。通过上述方法计算发现，人工鱼礁投放量估算值与实际投放量可能存在一定差值，主要原因有以下几个方面：（1）在鱼礁投放过程中，部分礁体会散落，体积较小无法被探测识别；（2）鱼礁投放后，在海流等外力作用下，造成部分鱼礁的失落；（3）受当前探测技术限制，鱼礁海底面以下实际沉降量无法探测。在下一步研究中，将探索更先进的勘测技术和计算方法，以实现对人工鱼礁体积更精确的估算。
参考文献：
[1]沈 蔚，章守宇等，C3D测深侧扫声呐系统在人工鱼礁建设中的应用[J]，上海海洋大学学报，2013，22（3）：404-409
[2]刘永虎，刘 敏等，侧扫声纳系统在石料人工鱼礁堆体积估算中的应用[J]，水产学报，41（7）：1158-1165
[3]佟 飞，唐振朝等，基于侧扫声纳方法的框架式人工鱼礁测量 [J]，南方水产科学，2018，,14（1）：99-104
[4]沈 蔚，马建国等，基于侧扫声纳的人工鱼礁自动识别方法研究[J]，海洋测绘，2019，39（6）：35-41
[5]杨红生，章守宇，张秀梅等，中国现代化海洋牧场建设的战略思考[J]，水产学报，2019，43（4）:1255-1262