海山是一种广泛分布于世界各大洋, 高于海底, 但又不超出海面的大型海底地貌类型^[1-2]。西太平洋马里亚纳海山区是开展海洋生物多样性、海洋生物起源与进化、海山火山岩的物质组成及成因等研究的热点区域^[3-5], 而地形测量是开展多学科协同研究的基础。同时, ROV作为海山区海底生物多样性调查和海底取样的有效工具, 为保障其作业的安全性, 在其下放到海底开展科学考察工作之前, 必须获得海山区准确的地形资料。为此, 在中国科学院先导专项(A类)“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”、国家科技基础资源调查专项“西太平洋典型海山生态系统科学调查”和973计划项目“典型弧后盆地热液活动及其成矿机理”的支持下, 利用“科学”轮船载全水深多波束测深系统Seabeam3012对西太平洋马里亚纳海山区多个海山进行了地形测量工作。

本文拟对作业过程中, 海况条件差、地形起伏大、海底底质变化大等特点造成多波束数据质量差、易检测错误海底信息、测线布设难度大等情况, 分析原因, 提出了一系列解决措施, 对今后多波束采集作业具有一定的指导意义。

1 采集设备简介

“科学”轮是我国新一代海洋综合科考船, 配备了海洋大气、水体、海底、深海极端环境和遥感信息现场验证等五大船载探测系统, 其中, 海底探测系统包括重力、磁力、多道地震、全水深多波束测深和浅地层剖面等。海山地形测量主要是应用产自德国ELAC公司的SeaBeam3012全水深多波束测深系统, 技术参数见表 1, 采集软件为Hydrostar。同时, 为了保证数据质量, 还配备了DGPS、OCTANS光纤罗经和表面声速仪等辅助设备。

2 作业难点 2.1 气象条件复杂, 海况差, 严重影响数据采集质量

西太平洋暖池区是全球海洋水温最高区, 也是海洋-大气能量交换年总量最大区域, 该区域气象条件复杂, 在高温、高湿条件下易发生超低压中心, 构成强烈的热带风暴^[6], 从“2018年科技基础资源调查专项麦哲伦海山科学考察航次”的船载自动气象站记录的真实风速上, 可以看出整个航次一半时间内的风速在10 m/s以上(图 1)。恶劣海况严重影响多波束采集质量, 图 2是多波束采集现场监控界面, 可以看到, 恶劣海况下, 采集波束不连续, 质量差, 地形起伏大的区域甚至不能跟踪中央波束。

2.2 海山区地形起伏大, 底质类型差别大, 易检测错误海底信息

海山区海底地形起伏大, 底质类型差别大, 海底回波信息复杂, 多波束系统易检测到错误海底信息, 从而导致虚假的地形。图 3显示了马里亚纳M6-10海山水深曲面, 海山顶部出现条带状异常, 该异常与测线重合, 水深值为相邻测线水深值的两倍, 后查实, 是多波束系统错误接收海底二次回波造成的。

2.3 测线布设难度大

科学考察航次耗资巨大, 航次内容多涉及多学科联合作业, 时间紧, 任务重, 各项作业需相互协调, 提高作业效率。地形测量作为多学科协同研究的基础和设备现场作业的安全保障, 是航次作业必须保质保量完成的基础工作, 但海山区地形起伏大, 造成多波束系统扫描宽度变化大(图 4), 同时, 对于未知海山, 可获得的有效信息少, 查询的海山地形和实际情况往往存在很大差异。因此, 如何在保障多波束采集质量的基础上, 合理布设测线, 提高作业效率, 是海山区多波束采集的作业难点。

3 针对性技术措施 3.1 提高恶劣海况下多波束采集数据质量的措施

图 5显示了风速为12.5 m/s左右的恶劣海况下, 马里亚纳M6-1海山测线方向相反的相邻两条测线的多波束水深曲面图, 其中, 测线1方向与风向相反, 测线2方向与风向相同。从中可以看到, 作业海况相同, 测线相邻, 仅测线方向相反, 但采集获得的资料品质却有较大差别。为调查其原因, 对图 6所示的对应测线船体的姿态数据曲线进行了分析, 可以看到, 与多波束数据采集质量关联度最大的是纵摇(PITCH)值, 纵摇值变化越明显, 即船体纵摇越剧烈时, 多波束数据采集质量就越差, 上述情况主要是由于恶劣海况造成船体升沉运动时, 船底的多波束系统与海水间产生大量气泡, 从而影响波束的传播和接收, 造成多波束数据采集质量差, 尤其是在海山区, 加上地形起伏的影响, 海底回波信息更复杂, 造成数据质量更差。

图 5中的绿色测线位置与图 6中的船体的姿态数据曲线完全对应, 对比两图还可以看到, 相同海况条件下, 多波束数据采集质量差的位置往往是纵摇值出现较大正向跳跃变化的位置, 而在纵摇值变化不大, 或仅负向跳较大的位置, 多波束数据采集质量受到的影响则较小。根据理论分析和实践观察, 恶劣海况下, 船舶顶着风浪行驶时, 纵摇值易出现较大正向跳跃变化; 船舶顺着风浪或侧着风浪行驶时, 纵摇值变化不大, 或仅负向跳跃较大。

根据上述分析, 提出了基于船体姿态对数据质量影响分析的多波束测线方向优化方案, 即在恶劣海况条件下, 进行多波束采集测线布设时, 应适度考虑风浪对资料品质的影响, 测线方向(尤其是关键区域)应选择倾向于与风浪方向保持一致或斜交, 避免两者相对的情况。

图 7是2018年马里亚纳-冲绳海槽热液航次中采集的M6-9海山和M6-5海山的水深曲面, 该航次共完成在14个局部小海山地形测量, 采用基于上述多波束测线优化方案, 极大提高了多波束数据采集质量, 所采集原始数据95%以上无明显噪点。

3.2 解决海山区多波束系统易检测错误海底信息的措施

全水深多波束测深系统在西太平洋马里亚纳海山区作业时, 易检测错误海底信息, 主要是由于该区域水深变化范围巨大, 水深由几十米到上万米。地形起伏和底质差异引起海底反向散射回波信号的强度、到达时间和到达方向的变化, 不同程度影响回波信号的质量, 导致时延检测产生错误^[7], 进而干扰了跟踪控制参数的确定, 使后续测量恶化, 无法检测真正的海底信息。当系统错误跟踪引起错误测深时, 就会导致虚假的地形^[8]。针对上述情况, 在水深浅于100 m的海山区进行多波束采集时, 提出了基于地形变化并参考浅地层剖面资料的作业参数优化方案: (1)船速保持5~6 kn; (2)激发能量降至–12dB以下; (3)采集时注意观察地形变化, 对比多波束、浅剖等设备的海底深度(图 8), 如果发现相关设备海底深度差别较大时, 必须查明原因, 当多波束深度值与其它设备深度值呈倍数关系时, 可判断多波束系统记录信息为海底多次回波, 此时应继续降低激发能量, 同时根据浅剖资料记录海底深度调整多波束信号追踪门限值。

图 9为“科学”轮采集完成的西太平洋KLL海山水深曲面, 该海山最浅处距海平面仅28 m, 海山基底以上高约3 000 m, 海山两侧坡度接近80°。基于上述作业参数优化方案, 最终获得了高品质的地形资料。

3.3 合理布设测线, 提高作业效率的措施

科考航次时间紧、任务重, 合理布设测线, 提高多波束采集作业效率, 可以为其他作业争取宝贵时间, 保障航次任务的顺利完成。西太平洋马里亚纳海山区多波束水深测量时, 采集软件无法生成实时水深曲面。基于现有条件, 提出了基于实时采集情况的多波束采集测线布设优化方案: (1)根据现有资料, 不等间距、不等长度设计测线, 减少测量工作量; (2)作业时, 实时关注多波束幅宽变化, 对测量结果进行预判, 合理对设计测线进行增减, 提高工作效率; (3)完成一条测线后, 实时进行初步处理, 避免了出现数据缺口, 并对增减设计测线进行进一步确认。

在进行马里亚纳M6-12海山地形测量时, 课题组提供测量区块资料如下: (1)范围20 km×20 km; (2)最浅水深约200 m; (3)最深水深约3 000 m; (4)最浅点位于工区中心。

基于有限资料, 设计测线如图 10左图所示, 设计测线长度共计160 km(不含转弯部分), 具体参数见表 2。实际作业过程中, 按照上述测线布设优化方案, 在保质保量完成海山地形测量的基础上, 极大提高了工作效率, 实际作业测线长度110 km, 节省了近1/3工作量。

4 结论

西太平洋马里亚纳海山区的地形调查有其特殊性, 针对气象条件复杂、海况差, 导致采集数据质量差的情况, 通过分析船体姿态对数据质量的影响, 提出了恶劣海况下, 测线布设方向应倾向于与风浪方向保持一致或斜交, 避免与其相对的优化方案, 提高了多波束采集数据的质量。针对海山区地形起伏大和底质差异大导致多波束系统易检测错误海底信息的情况, 提出了结合浅剖资料的作业参数优化方案, 改善了海底识别追踪效果。针对海山区水深变化剧烈导致的测线布设困难等问题, 提出了基于实时采集的测线布设优化方案, 大大节省了测线布设长度, 节省了调查成本, 提高了工作效率。

通过一系列针对性措施的实施, 在保质保量完成调查任务的同时, 极大提高了多波束工作效率, 最终获得的高品质的地形资料为多学科协同研究奠定了基础, 为ROV等设备的现场作业提供了安全保障。这些技术措施也对未来海山区的多波束调查具有十分重要的借鉴意义。

致谢: 感谢“科学”轮各部门在西太平洋马里亚纳海山区地形调查作业过程中的积极配合, 感谢中国科学院海洋研究所海洋生物分类与系统演化实验室和海洋地质与环境重点实验室的科学家对工程技术部现场工作的支持。