無驗潮測深系統(tǒng)精度分析

陳金湖

（廣州南華工程管理有限公司，廣東 廣州 510230）

無驗潮測深系統(tǒng)精度分析

陳金湖

（廣州南華工程管理有限公司，廣東 廣州 510230）

三亞防波堤施工中采用無驗潮測深系統(tǒng)對施工質(zhì)量進行過程控制。根據(jù)其原理和特點，通過對儀器的系統(tǒng)誤差、無波浪影響下測深系統(tǒng)的誤差和在波浪影響下測深系統(tǒng)的誤差的精度比對，測量精度滿足規(guī)范要求。與傳統(tǒng)測量模式相比，測量精度更高。

無驗潮測深系統(tǒng)；精度比對；精度分析

無驗潮測深系統(tǒng)是 RTK-GPS 定位技術(shù)的運用。在三亞防波堤工程施工中，引進了無驗潮測深系統(tǒng)對施工質(zhì)量進行過程控制，并承擔水下工程施工質(zhì)量驗收工作，系統(tǒng)的測量精度直接影響到工程質(zhì)量控制和對施工成果的評價。為確保測量精度，監(jiān)理工程師對系統(tǒng)進行了精度比對和分析工作。

1 無驗潮測深系統(tǒng)的原理和特點

無驗潮測深系統(tǒng)由 RTK-GPS、測深儀、數(shù)據(jù)采集計算機組成。其原理為利用 RTK-GPS 的高精度三維定位技術(shù)和回聲測深儀通過計算機同步測定水面某點的瞬時高程和水深值，推算該點的海底高程。RTK-GPS 通過與測量軟件相結(jié)合，可以實現(xiàn)波浪補償?shù)墓δ堋?/p>

相對傳統(tǒng)的水深測量系統(tǒng)，無驗潮測深系統(tǒng)最突出的特點是運用高精度 GPS 進行三維定位，無需建立臨時驗潮站和人工驗潮，人工操作環(huán)節(jié)少，人為引起的錯誤和誤差機率小，測量精度高。

2 無驗潮測深系統(tǒng)精度的理論分析

2.1 儀器的系統(tǒng)誤差

在測量過程中，構(gòu)成系統(tǒng)的各類儀器、設(shè)備存在系統(tǒng)誤差[1]，分別表示為：測深儀的 系統(tǒng)誤差ΔSi；GPS 的系統(tǒng)誤差 ΔHi；連接 GPS 與測深儀換能器連桿的長度測量誤差 ΔLi。

2.2 無波浪影響下測深系統(tǒng)的誤差

在無波浪影響的情況下，海底面某點高程的瞬時測量值可表示為：

H=HGPS+L+S （1）

式中：HGPS為 GPS 測定的海面某點瞬時高程測量值；L為連桿長度的測量值；S為測深儀測定的海面某點瞬時水深值。

考慮測量過程中的儀器誤差，對儀器引起的誤差進行了修正，則有海底面某點高程的真值H0為：

H0=（HGPS+ ΔHi）+（L+ ΔLi）+（S+ ΔSi）=

H+（ΔHi+ ΔLi+ ΔSi）=H+ Δ （2）

也就是測深系統(tǒng)的誤差為 Δ：Δ = ΔHi+ ΔLi+ΔSi。

可以看出，在無波浪影響的情況下，無驗潮測深系統(tǒng)的測量精度取決于構(gòu)成系統(tǒng)的儀器精度。同時，由于 RTK-GPS 的三維測量精度達到厘米級，本工程所用儀器的垂直精度為 3 cm+2 × 10-6× D，D 為測量距離，km；測深儀的測量精度為±（ 0.4%+ 5 cm）；連桿的測量精度用鋼卷尺量可以達到毫米級，對于一個固定測區(qū)，ΔHi和 ΔLi是固定的，且其誤差值相對于測深值可以忽略不計，故影響測量系統(tǒng)的誤差取決于測深儀的測量精度，而經(jīng)過校準后的測深儀精度可以滿足規(guī)范的要求。

2.3 在波浪影響下測深系統(tǒng)的誤差

在波浪影響下，測量系統(tǒng)將隨著測量船一起發(fā)生左右、前后和上下的搖動，測量系統(tǒng)除固定的儀器誤差外，將不可避免的發(fā)生由于搖動引起的誤差，其誤差發(fā)生過程是復雜的綜合運動，分析如下：

1）各種儀器系統(tǒng)誤差同樣存在。

2）當系統(tǒng)在風浪條件下產(chǎn)生搖擺，瞬時測量中心軸線將以軸線上某一點A為圓心發(fā)生傾斜并與原軸線方向形成一夾角α，同時整個系統(tǒng)隨著波浪發(fā)生上下位移，對系統(tǒng)的運動引起的誤差進行分析，難度較大，但其運動對平面定位的影響不會超出規(guī)范允許范圍，其在垂直方向的運動將對測深精度有比較大的影響，為方便分析，將系統(tǒng)的綜合運動簡化為A點的垂直運動和測量中心軸線以A點為中心旋轉(zhuǎn)運動。

設(shè)波浪作用時，A 點高程變化量為 ΔD，測量中心軸線以A點為中心旋轉(zhuǎn)一夾角α。分析測量過程，A點高程變化量ΔD將在測量過程由測深部分消除，故不考慮其影響。結(jié)合瞬時其他誤差，從式 （2） 可以推導出式 （3）：

則此時系統(tǒng)的誤差為 Δ′：

從上面分析，系統(tǒng)在波浪作用下存在兩項誤差，其中 （ΔHi+ ΔLicos α + ΔSicos α） 主要是儀器誤差引起，可以通過嚴格校準工作得到控制。對于[（ L+S ）（ 1-cos α ）]來說，該項主要是波浪作用下縱橫搖擺發(fā)生角度α的傾斜引起的，在本工程中最大水深大于 30m，（L+S）的值近 40m，其引起的誤差是不可忽視的；另外，（1-cosα）的值將隨α的加大而明顯增大，在某一瞬時，[（ L+S ）（ 1-cos α）]的值隨 α 的加大而增大且恒為正值，如圖 1（圖中設(shè) L+S=40m），故 [（L+S）（1-cosα）]的值恒為正值，是影響系統(tǒng)精度的關(guān)鍵誤差項目；而對于不同的時刻，即不同瞬時點，S 及 α 為無規(guī)律變化值，故 [（L+S）（1-cosα）]的值呈無規(guī)律變化，無法通過合理的方法克服，也無法確定合理的修正值。

圖1 α 與[（L+S）（1-cosα）]關(guān)系圖Fig.1 Relation between α and[（ L+S ）（1-cos α）]

綜上所述，在波浪影響下作業(yè)，系統(tǒng)將存在不可忽略的誤差，測量精度將下降，其誤差為瞬時綜合誤差，隨機出現(xiàn)，無規(guī)律，無法采用合理的方法消除。

3 無驗潮測深系統(tǒng)的精度驗證

通過理論分析，只得出定性的結(jié)論，未有定量的結(jié)果。鑒于防波堤墊層石的厚度僅為 1.5m左右，且對坡面質(zhì)量要求高，從質(zhì)量控制的角度出發(fā)，應(yīng)對該系統(tǒng)在波浪影響下的測深精度進行驗證，并通過試驗統(tǒng)計分析找出該系統(tǒng)在風浪工況下的使用范圍，以保證工程質(zhì)量。

3.1 比對試驗方案設(shè)計

比對試驗區(qū)水深大于 30m，采用 SDH-13D回聲測深儀（ 精度 0.4%+5 cm ）及 HD-5200 型RTK-GPS（ 精度 3 cm+2 × 10-6× D）進行比對。

1） 試驗項目。實時相位差分定位系統(tǒng)（RTK-GPS）的三維定位穩(wěn)定性試驗；測深儀的測深精度和穩(wěn)定性；無驗潮測深法在波浪條件下的測深精度。

2） 平面和高程控制。平面控制采用任意坐標系，高程控制采用當?shù)乩碚撋疃然鶞拭妗２捎脴I(yè)主提供的經(jīng)承包人校核合格的控制點資料。GPS參數(shù)、坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系采用承包人的現(xiàn)用資料。

3） GPS 穩(wěn)定性試驗。在施工區(qū)附近已知高級控制點架設(shè) GPS 接收機，連續(xù)觀測 2 h 以上，從外業(yè)采集的數(shù)據(jù)分析GPS在本工程施工環(huán)境中的三維定位精度和穩(wěn)定性。

4）測深儀的測深精度和穩(wěn)定性試驗。采用檢查板比對法。測定 0~30m 范圍內(nèi)儀器差值，分析儀器的精度和穩(wěn)定性。在海面較平靜時，結(jié)合潮位預(yù)報，于高平潮或低平潮時段在擬定試驗區(qū)域附近對測深儀進行測定。

5）驗潮。設(shè)立臨時驗潮站進行潮位觀測。比對試驗區(qū)附近埋設(shè)工作點，按四等水準精度從高級水準點引測工作點高程。按圖根水準精度測設(shè)水尺。水尺的設(shè)立按規(guī)范規(guī)定進行。驗潮每 10min觀測1次，內(nèi)業(yè)整理采用繪制水位曲線圖修正讀數(shù)誤差。

6） 無驗潮測深法在波浪條件下的測深精度。考慮波浪條件下橫搖、縱搖情況，測深按規(guī)范有關(guān)要求進行。

在施工區(qū)附近選擇較平坦區(qū)域，采用定點同步比對，即測量船系在浮鼓上，處于相對自由狀態(tài)，同時采用傳統(tǒng)測量法和無驗潮測量法進行測量。傳統(tǒng)測量方法測出該點一系列海床面標高，進行相關(guān)校正后作為該點“參考真值”。

計算機同步讀取無驗潮測深法的一系列海床面高程瞬時值，與測量參考真值比較，得出瞬時測深誤差。盡可能在此基礎(chǔ)上進行擴大測量船兩搖幅度的測深精度的理論分析，確定無驗潮測深法在工程的適用范圍。

3.2 比對成果和分析

3.2.1 比對試驗成果

比對試驗在 GPS 穩(wěn)定性及測深儀比對合格的前提下進行，歷時約1 h，試驗同步采集測深儀的深度讀數(shù)、GPS 的平面位置及水面高程讀數(shù)和瞬時潮位，共采集數(shù)據(jù) 3 023 組，其中有效數(shù)據(jù)2 988 組，數(shù)據(jù)有效率為 98.8%。所有數(shù)據(jù)分布在以數(shù)據(jù)平面位置中心為圓心、半徑 3.9m 的范圍內(nèi)，半徑為 2.0m 內(nèi)的數(shù)據(jù)占 78.8%，具體分布情況見表1。

根據(jù)設(shè)計圖紙，該區(qū)海床面呈 1 ∶50 的自然坡度，平坦無局部隆起，則數(shù)據(jù)分布圓內(nèi)海床面的高差小于 0.2m，滿足規(guī)范對“圖上 1mm 范圍內(nèi)水深點深度比對互差 ≤ 0.02H（ 0.52m ）”的要求，可以認為全部數(shù)據(jù)代表同一測點。

表1 數(shù)據(jù)分布半徑比例Table1 Proportion of data distribution radius

3.2.2 參考真值

比對前，先采用加大加重的檢查板對測深儀的測量精度進行比對調(diào)試，確保測深精度，在采集數(shù)據(jù)的同時在臨時驗潮站進行人工驗潮，通過繪制潮位曲線，減小人工驗潮讀數(shù)誤差，內(nèi)業(yè)對采集的水深值進行有關(guān)改正后，結(jié)合潮位推算每組瞬時測點的海床面高程 Hi。設(shè)分布在數(shù)據(jù)中心點的周圍的機率相等，受波浪影響的情況機率相同，則取 Hi平均值為該點海床面高程，此時可以消除海面波浪引起的水面高程誤差和海床面自然坡降引起的誤差；但與無驗潮一樣，測深同樣存在搖擺引起的誤差：Δ = （L+S）（1-cosα）-（ ΔHi+ ΔLicos α + ΔSicos α ）。

應(yīng)該說，通過以上措施后，誤差可簡化為Δ= S（ 1-cos α ），H 為 Hi的平 均值（ H=25.96m ），如圖 2 所示，設(shè)該海床面高程真值為 H0，則有 H0= H-Δ，故把平均值當海床面高程只是基本接近真值，其誤差在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，在一定程度上可以用來檢驗無驗潮測深系統(tǒng)的測量精度。經(jīng)過處理后，該點高程真值為 H0=25.96-Δ，Δ 值的變化規(guī)律難以確定，但恒有 H0<25.96，取 25.96 為參考真值，以檢驗無驗潮測深系統(tǒng)的測量精度。

圖2 高程真值與誤差的關(guān)系Fig.2 Relation between the true valueand error of elevation

3.2.3 波浪分析

比對前，先在控制點上對 RTK-GPS 進行比對，確保水面高程的測量精度，對采集的數(shù)據(jù)運用 Excel電子表格的圖表功能繪制波浪分析圖（如圖 3），分析各種波高的出現(xiàn)比例，經(jīng)統(tǒng)計分析，在比對試驗過程中，測區(qū)波浪情況如表 2 所示[2]。從波浪分析表可見，本次比對有 92.3%為波高0.6m 以下范圍，波高 0.6m 以上僅為 8%左右，且其出現(xiàn)的比例很小，故本次比對只能代表無驗潮測深系統(tǒng)在波高0.6m 以下的精度情況。

3.2.4 無驗潮測深系統(tǒng)的比對結(jié)果分析

圖3 波浪分析圖Fig.3 W ave analysis diagram

采用由無驗潮測深系統(tǒng)逐點測量值與參考真值作比較，即 Δ =H無-25.96，得出 2 988 個誤差值，對其進行統(tǒng)計分析，誤差值分布如表3所示，可以看出，96%的測點誤差在規(guī)范規(guī)定的允許限差 0.02 H（ 0.52m ）之內(nèi)，且誤差在 0.3m 以內(nèi)占74.6%，分析可以認為無驗潮測深系統(tǒng)在 0.6m 波高的情況下，測量精度滿足規(guī)范要求。

表2 波浪分析表Tab le2 W aveanalysis table

表3 測深誤差統(tǒng)計表Tab le 3 Statistical table of sounding error

同時，還可以分析出無驗潮測深系統(tǒng)測量值存在的另一情況，在 2 988 個測點中，存在 2 142個測點的值小于測量真值，即 Δ =H無-25.96<0，其比例為 72%，符合理論分析的結(jié)果，所以，無驗潮測深系統(tǒng)測量精度滿足規(guī)范要求，與傳統(tǒng)測量模式比，其測量精度更高。

4 結(jié)語

通過簡化模型和實證比對的方法對無驗潮測深系統(tǒng)精度進行了分析，結(jié)果表明在 0.6m 波浪條件下，此系統(tǒng)具有較高的精度，能滿足相關(guān)規(guī)范的要求。由于分析模型和比對方案設(shè)計存在一定的局限性，比對分析結(jié)果不能作為此系統(tǒng)在其他波高條件下測量精度的依據(jù)，故其精度和使用范圍還有待于進一步的分析研究，以指導施工和推廣。

[1] 盧軍民，安延云，張東明，等.無驗潮測深技術(shù)中影響水深測量精度的幾個問題探討[J].水運工程，2010（5）：50-54. LU Jun-min，ANYan-yun，ZHANGDong-ming，etal.Some issues affecting the accuracy of non-tide sounding servey[J].Port&Waterway Engineering，2010（5）：50-54.

[2] 胡志渠，李雁.RTK 無驗潮測量技術(shù)用于港口水深測量[J].港工技術(shù)，2006（4）：57-58. HU Zhi-qu ，LI Yan.Application of RTK surveying technique without tidal observation to depth sounding of port[J].Port Engineering Technology，2006（4）：57-58.

[3] 張發(fā)棟，虞祖培.GPS 無驗潮測深技術(shù)在水深測量中的應(yīng)用[J].港工技術(shù)，2004（6）：54-55. ZHANGFa-dong，YU Zu-pei.Application ofGPSno-tide sounding technique in sounding surveys[J].Port Engineering Technology，2004（6）：54-55.

Accuracy analysis on the non tidal sounding system

CHEN Jin-hu
（Guangzhou Nanhua ProjectManagementCo.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong510230，China）

No tide sounding system isused for the process control of construction quality in Sanyabreakwater construction.According to its princip lesand characteristics，through the precision comparison of the instrument system error，sounding system errorby nowavesaffectandmeasurementerror in thewaves influence，theaccuracy of the system canmeet regulatory requirements.Compared with the traditionalmeasurementmode，this system ishighermeasuring accuracy.

no tide sounding system； precision comparison； accuracy analysis

U652.62

A

2095-7874（2014）06-0069-04

10.7640/zggw js201406021

2014-02-17

2014-03-27

陳金湖 （1973 — ），男，廣東澄海人，高級工程師，主要從事港口監(jiān)理工作。E-mail：654829524@qq.com