近岸海洋水深測量中幾個問題的探討

吳春節(jié)，王智明，呂楚男

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江寧波 315042)

近岸海洋水深測量中幾個問題的探討

吳春節(jié)?，王智明，呂楚男

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江寧波 315042)

從海洋測繪的實際生產(chǎn)出發(fā)，闡述了測線布設(shè)、無驗潮模式測深、與潮位改正精度評定三種提高測量精度與效率的方法和技術(shù)，為今后的海洋測繪技術(shù)設(shè)計以及數(shù)據(jù)處理提供方法和技術(shù)參考。

單波束測深；潮位外推精度；無驗潮

1 引 言

海洋勘察測繪是建設(shè)海洋強國的基礎(chǔ)性工作，也是開發(fā)利用海洋自然資源于空間資源的保障工作。寧波市域海洋測繪是浙江省海洋測繪工作的重要組成部分，也是寧波市建設(shè)海洋經(jīng)濟強市的基礎(chǔ)保障工作。海洋測繪與陸地測繪相比有諸多特點:①陸地測量是測量某一物體的空間位置，海洋水深圖測繪是定位與測深的結(jié)合。在水面以上，位置的測量是用無線電定位方法；在水下，水深的測量是通過超聲波的方法。②海洋測量是在測量船上這一動態(tài)環(huán)境下進行施測的，受風(fēng)浪、涌浪和潮汐等因素的影響，沒有嚴(yán)格意義上的重復(fù)觀測，精確測量難度大，由于海洋測量的特點，要從前期準(zhǔn)備和技術(shù)設(shè)計以及后期數(shù)據(jù)處理上要考慮多方面因素才可以有效地削弱測量錯誤。本文從浙江省寧波市域海洋測繪工程項目作為實例，對野外施測的測線布設(shè)方向?qū)y深精度的影響、無驗潮測深模式的精度分析以及潮位改正精度的評定方法三方面進行了分析和闡述。

2 測深線布設(shè)方向

測深線方向是海洋測繪所要考慮的一個比較重要的因素，測深線布設(shè)的合理與否會直接影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。測深線方向的選取要考慮以下幾個因素:①測區(qū)季風(fēng)以及涌浪和波浪的方向；②漲潮落潮的潮水流動引起的測船吃水的變化；③測量船行駛過程中在船底產(chǎn)生氣泡，聲波遇到氣泡后反射形成錯誤的回波信號，對測深數(shù)據(jù)質(zhì)量有嚴(yán)重的影響，用平底船作為測量船時氣泡的影響尤為嚴(yán)重。測量船受涌浪影響而橫搖縱搖和上下升沉的大小與船速、波向角、波高和波周期有關(guān)。在波向角為90°時(即橫浪)，是影響值大小曲線的拐點；并且波向角為0°(隨浪)與波向角為180°(迎浪)的影響不完全一致。測船迎浪的影響相對要小一些[1]。這要求我們在布設(shè)測深線的時候收集當(dāng)?shù)赜坷朔较虻馁Y料，測線方向與涌浪垂直、在條件允許的情況下盡量用大船。

圖1 等深線圖

如圖1所示是測區(qū)內(nèi)某一段的等深線，北面等深線比較平滑的4條測線是同一天測量的，南面等深線有規(guī)律的彎曲是另一天涌浪比較大、橫浪時候施測的。比較兩天測量的水下地形圖等深線，橫浪、涌浪比較大的一天的測量值比涌浪較小的誤差大3 cm左右。這是由于測深儀采用便攜式安裝方式安置在船舷一側(cè)，受涌浪持續(xù)作用力的影響，測量船的左右搖擺的平衡位置與靜態(tài)時的平衡位置有偏移，測量船背向涌浪方向傾斜，導(dǎo)致吃水與靜態(tài)時測量的吃水有差異，在測量船沿測線來回測量時測量數(shù)據(jù)經(jīng)過平滑處理成圖，等深線會呈波浪形彎曲。雖然誤差大小并不大，但是在平坦的海域很小的誤差就會引起等深線較大的彎曲，如果不仔細(xì)觀察會以為測量數(shù)據(jù)有很大的質(zhì)量問題，必須對數(shù)據(jù)進行一定的處理。所以對于換能器船舷安裝時，測線布設(shè)應(yīng)該盡量垂直波向與涌向，在測量時很有必要記錄當(dāng)時的海況，包括當(dāng)時的波向涌向以及波高和涌高。

3 無驗潮模式與潮位改正模式的優(yōu)缺點與誤差分析

隨著全球定位技術(shù)以及RTK技術(shù)的發(fā)展，RTK測量技術(shù)在沿海近岸以及內(nèi)河航道的水深測量中的優(yōu)越性日益凸顯。RTK高程信號和Heave信號融合還可以提高最終測量成果的精度[2]。RTK用于海洋測繪有兩種方式:架設(shè)基站方法和網(wǎng)絡(luò)RTK方法，架設(shè)基站發(fā)射功率高、信號強，一般不會發(fā)生信號中斷的情況，但是需要多一臺GPS接收機作為基準(zhǔn)站，還需要有專人看守，比較麻煩；NBCORS網(wǎng)絡(luò)RTK高程測量的中誤差為0.022m[3]，只需要一張手機卡，在手機有信號的地方就可以實現(xiàn)測量，缺點是:有時會因為網(wǎng)絡(luò)原因?qū)е滦盘栔袛?，信號一旦中斷就會造成?shù)據(jù)的丟失，必須及時發(fā)現(xiàn)，測量船掉頭重新測量，這樣嚴(yán)重影響了施測效率。潮位改正模式一般是用信標(biāo)機定位驗潮儀采集水面高程。定位精度較低但對于海洋測繪精度足夠，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。

圖2 受涌浪影響的測深示意圖

測量船在海上受涌浪的影響會發(fā)生傾斜，由于無驗潮模式用來計算水下高程的測量值是GPS橢球高經(jīng)過似大地水準(zhǔn)面精化后推算的85高程，而潮位改正模式使用的是海水面，二者受測船傾斜影響而產(chǎn)生的高程誤差不同，如圖2所示:測船受涌浪的影響而傾斜，圖上三角形的斜邊是聲線，根據(jù)相似三角形原理有:

其中H水:水面到海底的垂直高度，S水:測量水深記錄值，HG:GPS接收機到海底的高度，SG:GPS接收機到海底的測量記錄值。接收機為了得到良好的信號需要離開測船一定高度，所以SG＞S水。

從以上分析可知:記錄值與真實值的差距(誤差)，無驗潮模式大于潮位改正模式，無驗潮模式測深對于船舶橫搖縱搖的影響更大。

4 驗證潮位改正精度的一種方法

海洋測繪是測量船在海面上測量海底相對于海水面的深度，而海水面由于日月引力的影響周而復(fù)始地做固定周期的升降運動，因此必須確定一個固定的深度基準(zhǔn)作為參考(如85高程基準(zhǔn))，將瞬時測量的水深值歸算到85高程基準(zhǔn)的高程值就需要設(shè)立驗潮站測量海面的瞬時高程值進行潮位改正。潮位改正的目的是盡可能地消除測深數(shù)據(jù)中的海洋潮汐影響，將測深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以當(dāng)?shù)厣疃然鶞?zhǔn)面為基準(zhǔn)的水深數(shù)據(jù)。在實際測量中不可能觀測測區(qū)內(nèi)每一點的潮汐變化值，所以，水位觀測通常以“點”代“面”的改正方法[4]。潮位改正方法主要有單站潮位改正法、線性內(nèi)插法、水位分帶法、時差法和參數(shù)法等，每種方法都有自己的假設(shè)條件，所以在潮位改正時一定會存在誤差。目前，我國對于水位改正的精度還沒有給出具體的規(guī)定，但是GB12327-1998《海道測量規(guī)范》給出了“相鄰驗潮站之間的距離應(yīng)滿足最大潮高差不大于1m，最大潮時差不大于2 h，且潮汐性質(zhì)基本相同”的規(guī)定?？紤]到現(xiàn)在高速發(fā)展的海洋測繪技術(shù)以及儀器條件比1998年頒布《海道測量規(guī)范》時要高許多，可以用外推法或者內(nèi)插法對潮位數(shù)據(jù)的精度進行一定的評估，具體方法是:在確立驗潮站布設(shè)方案之后，在呈三角形設(shè)置的驗潮站中間位置投放一自容式驗潮儀(或者人工在測區(qū)內(nèi)的幾個小島上不同時間不同位置分別觀測7 h)與水位分帶法計算的該位置的潮位值比較計算分帶法潮位改正的精度。

5 結(jié)論和建議

海洋測繪是一門多傳感器協(xié)同作業(yè)的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，集GPS空間定位、海洋聲學(xué)測深、聲速測量、潮位測量等于一體。提高海洋測繪數(shù)據(jù)精度須從施測的每一個環(huán)節(jié)入手分析。換能器船舷安裝時測線方向應(yīng)該盡量設(shè)計與波向涌向一致；測船橫搖縱搖對無驗潮測深模式的影響較驗潮模式更大；潮位的內(nèi)插改正精度是可以通過多余觀測來實現(xiàn)評定的。

[1] 劉雁春.海洋測深空間結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)處理[M].北京:測繪出版社，2003.

[2] 陽凡林，趙建虎，張紅梅等.RTK高程和Heave信號的融合及精度分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2007 (3):225～228.

[3] 施立群，張旭東.基于NBCORS的寧波市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)建設(shè)成果融合應(yīng)用研究[J].城市勘測，2012(4).

[4] 趙建虎.現(xiàn)代海洋測繪[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2007.

[5] GB 12327-1998.海道測量規(guī)范[S].

Research on Some Problem s in Offshore Echosounding

Wu Chunjie，Wang Zhiming，Lv Chunan
(Ningbo Institute of Surveying and Mapping，Ningbo 315042，China)

Based on the practice of hydrographic survey，discussed surveying line designing，non-tide sounding and tide correction accuracy evaluate threemethods to improve the accuracy or efficiency of echosounding.It can actas a reference for hydrographic survey technological design and data processing.

singlebeam echosounding；tide extrapolated accuracy；non-tide sounding

1672-8262(2013)05-135-02

P229

B

2013—03—20

王智明(1985—)，男，助理工程師，主要從事海洋測繪及測深數(shù)據(jù)處理方面的研究。