浅地层剖面探测系统在海籍调查丁坝探测中的应用

万石磊

摘要：海籍调查是通过调查与测量工作获取各用海项目的权属、位置、面积、用途、用海方式等有关信息，绘制宗海图与海籍图。在调查过程中，丁坝由于常年泥沙的淤积被泥沙覆盖，丁坝的测量一直是一个很大的问题，本文通过布设垂直丁坝测量计划线，利用浅地层剖面探测系统测量出各断面的剖面图，根据剖面图和GNSS定位数据确定丁坝的最外边缘线位置，通过与竣工图对比等方式进行精度评估，为掩埋式丁坝的探测提供了重要的方法【1】。

关键词：海籍调查；浅地层剖面探测系统；丁坝探测与测量

1 前沿

长江口区域是我国最发达的区域之一，随着我国经济的快速发展，海洋活动的变得越来越频繁，为了更好的利用海洋，国家依法对长江口区域进行海籍调查。长江口区域也是用海活动最密集的区域之一，开发建设规模较大，海岸空间资源利用率高，用海类型包括码头、围海、海底电缆管道、隧桥、保滩坝等人工构筑物，其中丁坝在崇明三岛的用海项目中占到了很大的比例，由于行政区划分的变化和年代久远的原因，部分丁坝无法收集到相关竣工资料，下面，就浅地层剖面探测系统在丁坝探测中前期准备、测量计划线的布设、前期的准备、仪器的选择、数据采集、数据处理、精度评估等过程做详细的介绍，为今后丁坝的探测提供了新的方法与思路。

2 工作原理与仪器

浅地层剖面探测系统是利用声波的折射和反射的原理设计的。通过震源发出的地震波，沿垂直方向下传播，遇到介质不同、密度不同的两种介质时，部分声波在界面反射，部分在界面通过继续向下传播；到达下一个界面同样产生反射和通过，不同密度和声学差异的介质反射和通过的声波的强弱不同，利用这个原理即可获取海底地层分层情况和各层底质的信息。

本次浅地层剖面探测使用Geo-Source 200轻型多极电火花浅地层剖面探测系统。此系统硬件主要由震源拖鱼、水听拖缆和甲板单元组成。拖鱼和供能电缆连接浮于水中，用来发射地震波。水听缆和甲板采集单元连接，用于接收海底地层反射声波。

3 技术流程

浅层剖面系统探测的作业流程分为测前准备，测量计划线布设与设计、数据采集，数据处理、内业成图，精度评估等步骤。

3.1 测前准备

测前准备包括测量船保障、GNSS测试与验证、系统的安装与测试等阶段。

（1）测量船保障。测量船使用吃水交浅、小巧易于掉头且航行稳定的船只，因为丁坝附近水深交浅，海浪较大，测量船需要垂直于丁坝的方向横跨丁坝。

（2）GNSS测试与验证。在GNSS设置完成运行稳定后，对已知的控制点进行测量比对，确保GNSS测量数据的准确可靠。

（3）系统的安装与测试。完成浅层剖面系统的安装后，在船上进行静态测试，内容包括硬件的安装与集成的测试，供电系统测试，GNSS数据的连接测试和系统软件测试。通过多次量取各个单元相对GNSS天线的偏移距离等相关参数，确保各参数准确。安装测试完毕后，使测量船以低速平稳航行，对整套设备和软件进行接通测试，以确保集成系统的可靠性和可行性。

3.2 测量计划线的设计与布设

丁坝探测计划线的布设应垂直于丁坝，每20米布设一条计划线，对于丁坝变化的位置，特别是丁坝两头加密计划线保证可以探测出转弯处的边缘线准确位置，每条断面应尽量超出丁坝泥面下最外边缘线一部分，保证可以测量到丁坝的最外边缘线，同时，在丁坝中线两侧布设两条和断面线成一定角度的检查线，以利于后期深入分析和对观测数据的精度进行评估。

3.3 数据采集

数据采集应选择大潮高潮平潮时进行，数据采集进行之前应利用声速剖面仪测量丁坝区域的声速剖面值，进行声速改正。正式探测前，在测区内进行多次试测。数据采集利用测量船沿计划线方向以走航的方式进行。

3.4 数据处理

数据处理主要是对原始声源处理、常规处理和地质解释。最终依据反射层内部结构特征分析泥沙、丁坝、抛石等地质类型，绘制各地层剖面图。

浅地层剖面探测系统数据处理的一般操作流程如下图所示。

图1浅地层剖面探测数据处理流程图

（1）声源的预处理。基于测量船采集到的声源数据，通过滤镜组合对声源进行还原与恢复和剔除。

（2）常规处理和地质解释。常规处理和地质解释需要追踪反射界面，划分反射波组，分析反射波组特征，识别地质体类型，进行沉积分析与构造解释。

反射界面的划分遵循以下原则：

1）确定的同一层组声波反射应连续、清晰；

2）同层组内反射波的结构、形态、能量、频率等基本相似，不同的层组有显著差异；

3）主计划线与检查线剖面上各个层组要闭合。

根据反射界面划分的反射波组，确定地质体类型。

在确定地质体类型之后，通过钻探资料或相关经验确定相应沉积层或地层的声速。

通过时深转换方程【2】，将声学资料的时间数据（单位:ms）换算成深度数据（单位:m）。

时深转换方程：          D=VT/2                              （1）

其中：D为深度，V为地质体声速，T为声波双程旅行时。

（3）绘制剖面图

1）浅地层剖面图按测线逐条输出；

2）剖面图横向比例尺（H）为1:100，纵向比例尺（V）为1:100；

3）横向坐标是距测线起点的累积距离，上方注记的数字为探测点号；

3.5 内业成图

基于GNSS数据与浅层剖面图，在每条计划线上确定各丁坝和淤泥交界点的位置和坐标，将交点坐标展在AUTOCAD上，在计划线的辅助下连接相邻交点而形成范围线，范围线就是丁坝的外边缘线。

3.6 精度评估

浅层剖面系统探测结果的精度评估包括计划线检查线交叉点的精度评估、外部精度评估。

（1）计划线检查线交叉点的精度评估。利用计划线与检查线在交叉点剖面结果的不符值，评估浅层剖面系统的测量结果。对26个交叉点剖面图的上层淤泥厚度和丁坝的厚度差值进行统计，统计结果分别见表1和表2，整体精度约为6.5cm和9.2cm。理论上同一个位置的剖面在短时间内利用同一套测量系统和同一种处理软件处理的结果是不变的，但是由于不同时期的瞬时声速误差、海浪原因船的姿态不同、定位误差等，造成交叉点剖面数据不理想。

（2）外部精度评估。①利用另一套不同型号的浅层剖面系统仪器，安装在同一条船上，采用相同的GNSS数据，沿着测量计划线和检查线进行数据采集，利用不同的数据处理软件对数据进行处理成图，通过两种仪器测量结果的对比，对探测精度进行评定。

②与丁坝竣工资料进行对比。对丁坝范围外边线差值进行统计，结果见表3，通过对比可以看出测量数据与竣工资料存在着较大差异，主要原因是丁坝沉降和位移、还有就是丁坝外侧有部分抛石对系统的探测有一定的影响的原因。

4 技术难点与解决方法

4.1系统集成困难。浅地层剖面探测系统由GNSS接收机、能源箱、震源拖鱼、水听拖缆和甲板单元组成等硬件组成。设备安装完成链接正常后，试测时，通过调节设备收发参数，使海底浅部地层的声学图像更加清晰，从而获得高质量高分辨率的数据【3】。所以能够正确集成安装连接各设备并且使各设备正常工作也是个不小的挑战。

通过在船上的接通测试和试测，以及测量检测线和竣工资料的验证，结果表明了系统集成的可靠性，为今后浅层剖面系统集成和使用积累了经验。

4.2外部环境影响。海上天气变化快，经常出现大风大浪等不利于测量的天气，同时丁坝由于淤积的原因处在海水较浅的区域，甚至低潮时漏出水面，这些因素对测量仪器来说是重要的安全隐患。为了确保船只和仪器的安全，加强气象监测，选择在风浪小，大潮高潮时进行测量。

4.3数据精细处理。浅地层剖面探测系统数据的处理是整个系统重要的组成部分，数据处理的好坏直接影响剖面图的成图质量，通过优化数据处理方法，能够消除部分系统偏差和不良环境的影响，有效提高成果质量。

(1)声波还原。浅地层剖面探测是利用声波来实施的。声波在传播过程中，受到水体以及海底地质体的影响，发生折射反射时会逐渐衰减。为了还原真实的反射强度，利用Gain、TVG、Traceequalization、Normalize、Trace mixer等滤镜组合进行增强。

（2）干扰剔除。由于海上作业所处的声学环境十分复杂，在海洋环境背景噪声的基础上，还有海流海浪、船体振动等噪声的影响，除此之外还要考虑多次回波对界面识别造成的干扰。利用FIR filter、IIR filter、Mute、Signature-deconvolution等滤镜对干扰信号进行剔除【4】。

结束语：本文通过对浅地层剖面探测系统前期准备、数据采集、数据处理的介绍，采用布设计划线的方式，结合GNSS定位数据和剖面数据，确定计划线上丁坝与淤泥相交位置坐标，通过各交点连线确定丁坝的外边缘线，同时通过计划线交叉点，与竣工资料对比等方法进行精度评定。本文通过对地浅层剖面探测系统在丁坝的探测和测量中的应用的介绍，为海洋中丁坝的探测提供了方法和思路，对今后的海籍调查和海洋建设具有重要意义。

参考文献：

[1] 仝长亮，王华强,张匡华，等.海洋测绘在西南浅滩海沙资源探测中的应用[J].海洋测绘，2022，(05).

[2] 王璐璐.浅地层剖面探测在航道工程可行性研究中的应用[J].南方国土资源, 2019(5):4.DOI:CNKI:SUN:GXDZ.0.2019-05-016.

[3] 韦鹏.浅谈工程测量质量的加强途径[J].无线互联科技，2015，(12).

[4] 陶泽丹,卢志君,王世臣,等.参量阵浅地层剖面技术在深远海探测中的应用[J].地质学刊, 2021.DOI:10.3969/j.issn.1674-3636.2021.01.007.