誤差理論在水下地形測(cè)量的誤差控制和在外業(yè)成果評(píng)定中的應(yīng)用

林海聰

摘 要：本文從水下地形測(cè)量的內(nèi)外業(yè)，儀器設(shè)備的系統(tǒng)誤差控制、測(cè)量成果進(jìn)行評(píng)定的方法進(jìn)行了探討，著重研究誤差理論在對(duì)測(cè)量成果的準(zhǔn)確度評(píng)定方面的實(shí)踐應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：誤差 穩(wěn)定性 測(cè)量 成果評(píng)定

水下地形測(cè)量利用定位儀器和回聲測(cè)深儀等儀器設(shè)備野外采集數(shù)據(jù)，如果所使用的設(shè)備在數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中產(chǎn)生的大量設(shè)備不穩(wěn)定原因帶來(lái)的系統(tǒng)誤差、各種吵雜的隨機(jī)誤差，將會(huì)大大降低測(cè)量成果的可靠度與準(zhǔn)確度。為保證測(cè)量成果可靠準(zhǔn)確，首先要對(duì)儀器的測(cè)量誤差、儀器的穩(wěn)定性進(jìn)行控制，在測(cè)量準(zhǔn)備過(guò)程中對(duì)儀器的相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定，確保各項(xiàng)性能指標(biāo)要符合要求，從源頭上控制測(cè)量質(zhì)量，在測(cè)量誤差傳遞的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，降低累計(jì)誤差。水下地形測(cè)量完成后，可以采用誤差理論對(duì)測(cè)量成果進(jìn)行評(píng)定，控制和提高成果的準(zhǔn)確度。

1.水下地形測(cè)量?jī)x器誤差的控制和穩(wěn)定性檢定

實(shí)際實(shí)踐過(guò)程中，需要儀器設(shè)備在檢驗(yàn)周期中能保持性能指標(biāo)，可定期將設(shè)備送到質(zhì)量檢驗(yàn)部門(mén)進(jìn)行鑒定、調(diào)整，日常測(cè)量中要做好儀器設(shè)備的校對(duì)和驗(yàn)證，日常要保養(yǎng)好設(shè)備。

定期的將設(shè)備送到權(quán)威的檢驗(yàn)部門(mén)進(jìn)行全面的檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)出來(lái)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備的穩(wěn)定性和測(cè)量精度方面的變化，及時(shí)進(jìn)行校正，最大限度的減少因?yàn)樵O(shè)備性能下降帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。對(duì)于校正后仍未能達(dá)到測(cè)量精度要求的不予投入使用。

限于成本和時(shí)間的限制，不能經(jīng)常性地將儀器送到權(quán)威部門(mén)檢驗(yàn)?？稍阼b定周期中對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢驗(yàn)和校對(duì)，以期保持良好的技術(shù)性能。下面就分別對(duì)測(cè)深儀、GPS接收機(jī)這兩種水下地形測(cè)量常用設(shè)備的日常檢驗(yàn)和校對(duì)進(jìn)行闡述。

（1）GPS接收機(jī)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性的檢測(cè)。將GPS接收機(jī)架設(shè)到控制點(diǎn)上，在差分信號(hào)穩(wěn)定的情況下進(jìn)行記錄30分鐘以上。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出X方向和Y方向的中誤差以及平面定位的中誤差。

誤差圓（95%）半徑Offset=測(cè)量點(diǎn)到真實(shí)值的平均值+兩倍測(cè)量點(diǎn)到測(cè)量最或然點(diǎn)的中誤差，該值是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的和，表征了測(cè)量偏離真實(shí)值（準(zhǔn)確度）的大小。在Offset（95%）不超過(guò)測(cè)量技術(shù)要求的情況下，評(píng)定測(cè)量精度主要取決于兩倍定位觀測(cè)中誤差Drms值。

在多次定期進(jìn)行校驗(yàn)，Drms和 Offset均符合測(cè)量技術(shù)要求，就可以認(rèn)為在這些時(shí)段GPS接收機(jī)工作穩(wěn)定。筆者在汕尾電廠工程中水下地形測(cè)量比例尺為1：2000，依據(jù)規(guī)范“測(cè)深點(diǎn)定位點(diǎn)中誤差限值測(cè)圖比例尺大于1：5000為圖上1.5mm”的要求，點(diǎn)位誤差限制為3.0m，表1為筆者所在工程歷次比對(duì)的成果統(tǒng)計(jì)：

上表歷次中誤差Drms和誤差圓半徑Offset均小于限制，可以判定儀器測(cè)量精度和準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性滿(mǎn)足測(cè)量所需的技術(shù)狀態(tài)要求。

（2）測(cè)深儀的測(cè)量精度和穩(wěn)定性的檢測(cè)。將測(cè)深儀的換能器固定在一個(gè)位置，比如碼頭邊，水下最好是硬底質(zhì)的反射層。連續(xù)記錄10分鐘左右，將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)出來(lái)的深度中誤差進(jìn)行評(píng)定。

測(cè)量實(shí)施過(guò)程中儀器測(cè)量誤差的控制。

（1）測(cè)深儀的聲速改正。在每次月進(jìn)度或檢測(cè)測(cè)量前均進(jìn)行一次聲速校正。降低深水改正不準(zhǔn)確引起的系統(tǒng)誤差，確保測(cè)量成果的準(zhǔn)確度。值得注意的是在進(jìn)行測(cè)試板聲速校正時(shí)必須是“深度調(diào)聲速而不是聲速調(diào)深度”，即檢測(cè)板的深度不變僅改變聲速。

（2）DGPS定位時(shí)必須時(shí)處于“差分狀態(tài)”時(shí)才進(jìn)行記錄，確保測(cè)量定位精度滿(mǎn)足要求。

（3）GPS和測(cè)深儀的延遲校正。系統(tǒng)性延遲探測(cè)的方法有兩種，一是同一目標(biāo)探測(cè)法，二是同一測(cè)線探測(cè)法。

（4）外業(yè)中進(jìn)行潮位觀測(cè)時(shí)，采用短時(shí)多次觀測(cè)記錄的方法進(jìn)行讀數(shù)，然后將平均值記錄入簿，可以很好的控制讀數(shù)的誤差。另外盡可能在風(fēng)浪影響小的區(qū)域設(shè)立驗(yàn)潮站。

2.對(duì)外業(yè)測(cè)量成果的評(píng)定

2.1對(duì)測(cè)深紙的質(zhì)量評(píng)定

測(cè)深紙上面的記錄是測(cè)量時(shí)對(duì)水深數(shù)據(jù)的最原始記錄，是內(nèi)業(yè)處理中修改假水深的重要依據(jù)，也是評(píng)定測(cè)量質(zhì)量，判斷水下反射物的重要依據(jù)。不同的質(zhì)量具有明顯的區(qū)別，如下圖1則是質(zhì)量對(duì)比圖（左為質(zhì)量好的；右為質(zhì)量比較差的）：

其記錄的反射模擬線邊界模糊，上層空間有明顯的干擾回波。這樣的記錄說(shuō)明有可能測(cè)深儀參數(shù)沒(méi)有設(shè)置好，以致測(cè)量的結(jié)果出現(xiàn)較多的假水深，而反射面的回波測(cè)量結(jié)果跳動(dòng)比較厲害，往往有0.3m左右的跳動(dòng)，相對(duì)于上圖其測(cè)深值離散較大。

2.2測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

從測(cè)量結(jié)果中提取比較典型的一條測(cè)線的測(cè)深值、高程值、坐標(biāo)值（采集頻率不低于1HZ）。分別計(jì)算后一個(gè)點(diǎn)相對(duì)前一個(gè)點(diǎn)的變化值，最后對(duì)這些變化值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在剔除了粗差后，計(jì)算得到的中誤差可以很好的反映測(cè)量結(jié)果的離散程度，離散越小說(shuō)明越穩(wěn)定。表2是筆者某次測(cè)量統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。

采集時(shí)船速約為2.5m/s，坐標(biāo)位移變化值的平均值為0.529m和實(shí)際情況很吻合。位移變化值中誤差0.055m，測(cè)深變化差中誤差為0.061m以及高程變化值中誤差為0.021m說(shuō)明測(cè)量結(jié)果中兩點(diǎn)之間的變化穩(wěn)定、連續(xù)、數(shù)據(jù)采集過(guò)程可靠。

2.3依據(jù)內(nèi)業(yè)處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量成果質(zhì)量評(píng)定

（1）測(cè)深線數(shù)據(jù)同檢查線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范（JTJ 203-2001）中“7.4.7測(cè)深檢查線與主測(cè)線相交處，圖上1mm范圍內(nèi)水深點(diǎn)的深度比對(duì)應(yīng)符合水深小于等于20m時(shí)深度比對(duì)互差小于或等于0.4m，水深大于20m時(shí)深度比對(duì)互差小于或等于0.02H?！保℉為深度值）對(duì)比對(duì)成果進(jìn)行評(píng)定。

（2）前后兩次同一自然水深區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)的比較，同樣比較其互差值。

下面的數(shù)據(jù)比對(duì)統(tǒng)計(jì)成果是是筆者在對(duì)某航道未施工區(qū)域兩次測(cè)量成果比較的結(jié)果：

內(nèi)航道未施工區(qū)域：

深度比對(duì)互差的最或然值為0.008m，接近于0，說(shuō)明比對(duì)結(jié)果在0處周?chē)植季鶆颍姓`差為0.122m，說(shuō)明大多數(shù)的互差變化范圍在-0.24至0.24m的范圍內(nèi)，合格百分比為98.83%，說(shuō)明測(cè)量成果質(zhì)量穩(wěn)定，可靠準(zhǔn)確。

3.結(jié)論

簡(jiǎn)單易理解的中誤差理論在水下地形測(cè)量質(zhì)量控制和成果評(píng)定方面的應(yīng)用有積極的意義。以上筆者所述的也僅僅是提高測(cè)量精度和控制誤差的小小的一個(gè)方面，還有很多有待提高，發(fā)展的方法和技術(shù)手段。

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