多波束海底地形勘测关键技术研发及运用要点

1 引言

在海底地形测绘中，由于受到深海环境不可视性、高压、低温等极端条件限制，传统的海底观测手段长期依赖单波束测深技术，其通过密集的测线获取离散的深度点，导致其出现数据覆盖密度低、测线间空白区等问题，无法构建完整的海底地貌模型。多波束测深系统（MBES）的出现彻底改变了这一局面，其通过发射数十至数百个窄波束构成的扇形声束，一次发射即可获取垂直于航迹方向上一条宽带的海底深度数据，从而实现了从“点”到“线”再到“面”的跨越式发展，大幅度提高测量效率。

2 海底地形三维建模精度评价指标

为了科学评估多波束海底地形三维建模精度，通常采用平均绝对偏差（MAD）、均方根误差（RMSE）、标准差（STD）作为评价指标。其中MAD 衡量建模数据和真值点之间的平均绝对偏差，其计算公式为：

其中：zi为建模点的高程值，zj为对应位置真值点的高程值，n 为参与比对的点数。RMSE 则计算偏差的平方均值的平方根，公式为：

STD 的计算公式为：

其中：z̅为建模点高程的平均值。

2 多波束海底地形勘测关键技术的应用

2.1 基准算法分析

为了实现多波束测深数据的高精度三维建模，本文系统分析了三种先进的不规则格网算法。其一，优化的Delaunay 三角网（TIN）建模法，该方法采用分块处理策略，将多波束条带数据作为单元，通过逐点插入法构建局部 Delaunay 三角网，有效解决了海量数据全局构网效率低的问题，最终通过坐标拼接形成完整海底地形模型，有助于提高建模效率（见图1）。其二，基于迭代反演的建模方法，将重力异常（GA）数据作为关键输入，采用相干分析和静压补偿方式，利用反演算法从重力场信息中推演海底地形，并和先验测深模型进行相互融合，有效解决了测线稀疏区域的数据空白。其三，基于 HASM 建模方法，将海底地形视为连续曲面，通过计算其内蕴量（微观细节）和外蕴量（宏观形态），构建描述曲面形态的偏微分方程组，采用有限差分法进行离散求解，能够利用高数学精度重构地形[1]。

本次试验区域选择中国南海西北部一片相对平坦的矩形海域，面积约为 250 米³250 米，平均水深为 51米，共采集有效多波束测深点91,031 个，对比试验0.5 米、1 米、2.5 米格网尺寸进行分析[2]。

2.2.2 试验环境

本研究在统一的硬件软件环境下进行算法性能对比，所有计算与建模试验全部在一台配置为 Intel Corei7-8750H 处理器（主频2.20GHz）、8GB 内存的笔记本电脑上进行。在试验环境中，通常采用Windows 10 操作系统，并在 MATLAB 2020a 和 ArcGIS Pro 2.5 软件平台中实现算法编程 3]。

2.3 性能对比分析

在不规则格网构建方面，优化的Delaunay 三角网算法通过分块处理策略，将91,031 个离散点的构网时间从传统逐点插入法的 551.125 秒大幅缩短至 153.114 fy ，效率提高近三倍。在三维模型构建精度方面，基于40,408 个检核点的评估表明，无模型引导的插值方法对于边缘点距离权重敏感，导致边缘区域误差显著，其MAD 和RMSE 指标最差[4]。HASM 模型在处理复杂地形时具有理论优势，但在本试验的平坦区域，其性能和迭代反演模型基本一致，迭代反演模型得益于密集均匀的测点分布，能有效处理边缘效应，局部插值效果具有较强的稳定性。三种方法的MAD、RMSE、STD 值极为接近 (MAD≈0 .0843m， RMSE≈0.170m) ），表明在数据质量良好的前提下，不同算法的误差水平和离散程度趋于一致（见图2）[5]。

3 结语

本研究系统性探讨了多波束测深数据的三维建模技术，针对海洋环境的复杂性，对比分析了优化Delaunay三角网、HASM 模型、迭代反演法三种先进算法。 结果表明 在数据密集的平坦海域，优化Delaunay 算法在保证精度的同时，有助于加强构网效率， 而迭代 理边缘效应上表现出较强的稳定性。在未来研究中，应分析多源数据（如重力、磁力）的融合建模技术，实现高效的海底地形高精度重建。

参考文献：

[1] 吴辉,张卉冉,朱维强. 基于多波束测深技术的海底地形三维建模方法进展与趋势[J]. 测绘通报,2025(6):6-11,17.

[2] 亓玉鹏,李玲. 浅水石油钻井平台水下地形勘测多波束测深的实践研究[J]. 石油石化物资采购,2024(22):154-156.

[3] 赵廷. 多波束声呐海底底质智能分类关键技术研究[D]. 黑龙江:哈尔滨工程大学,2022.

[4] 朱本铎, 关永贤, 刘丽强,等. 南海海底地理实体命名技术研究与成果应用[J]. 中国科技成果,2024,25(7):19-21.

[5] 刘洪霞,陈建兵,闫循鹏. 基于海洋内波动力学模型的多波束测深影响研究[J]. 数学建模及其应用,2022,11(4):24-31.