水下地形測繪中潮位改正誤差的探討

顧飛艇

浙江省河海測繪院

摘要：水下地形測量的精度主要取決于水深測量精度以及平面精度，本文首先對測深誤差進(jìn)行分析，進(jìn)一步建立海洋基礎(chǔ)地理信息，可以有效地促進(jìn)我國海洋的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是一項(xiàng)具有公益性和基礎(chǔ)性的事業(yè)。

關(guān)鍵詞：水下地形；潮位改正；誤差估計

1引言

隨著社會的進(jìn)步經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的科學(xué)技術(shù)有了長足的進(jìn)步，海洋科學(xué)也得到持續(xù)發(fā)展，但是人們對于海洋索取的資源也越來越多，比如空間資源、自然資源、便利的航運(yùn)以及各種能源等等，為了能夠更好地利用我國的自然資源，避免過度的開發(fā)和不合理的利用對我國的海洋資源造成損害，應(yīng)該嚴(yán)格跟進(jìn)海洋地理信息服務(wù)。水深測量作為海洋地理信息建立的基礎(chǔ)工作，海洋測量是在測量船上，把瞬時海面作為參考面然后進(jìn)行的測量活動，海洋測量受海洋潮汐的周期性影響，所以需要對測深值進(jìn)行潮汐改正。改正方法有三種，分別是兩站改正、多站改正以及單站改正。

2 測深誤差分析

由于我國社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)得到快速的發(fā)展，水下地形測量的測深手段也越來越多，下面我們通過以上幾點(diǎn)進(jìn)行測深誤差的分析。

2.1水深測量誤差

回聲測聲儀的工作原理就是通過聲波傳播的時間，然后可以計算得出水底和水面之間的距離。在實(shí)際的深度測量中，主要是波束角、時間測定、聲速對測深精度產(chǎn)生影響。

2.2水面高程傳遞誤差

測量海洋海底的高程時是依靠水面進(jìn)行傳遞的。在進(jìn)行水面高程傳遞時，首先要確定深度的基準(zhǔn)面、測定潮位站水尺零點(diǎn)以及潮位改正的過程。

（1）潮位站水尺零點(diǎn)的測定誤差

潮汐觀測的準(zhǔn)確度，一般情況下是通過潮位站水尺零點(diǎn)的精度來確定，潮汐測定是通過水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行測定的。在水準(zhǔn)測量過程中會有很多因素會對影響測量結(jié)果，造成誤差，比如測量的儀器、水準(zhǔn)尺，以及觀測過程中對于基準(zhǔn)點(diǎn)的尋找等等因素都會影響水尺零點(diǎn)高程式出現(xiàn)誤差。

（2）潮位觀測誤差

通過水尺觀測的方法減少潮位觀測的誤差，水尺觀測方法首先有一個固定的合適的觀測位置，然后豎立驗(yàn)潮水尺，在水尺上讀取三到四個瞬時水面觀測值，最終取這三到四個讀數(shù)的平均值作為該時刻的水位觀測值。水尺觀測法既簡單又方便，但是受觀測者的影響因素較大，在實(shí)際的測量中，用平均法消除了部分波浪影響，但是還存在一部分認(rèn)為的隨機(jī)誤差，濾波性能不夠穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)精度不高。從目前來看，各個驗(yàn)潮站最常用的方法就是驗(yàn)潮井觀測法，這種觀測方法是通過特制的豎井，然后再引入海水中，使得井內(nèi)和井外的水壓相對平衡，通過浮子將記錄數(shù)據(jù)的滾筒帶動起來進(jìn)行轉(zhuǎn)動，記錄下水面高程的變化。在海水與井的連通環(huán)節(jié)上，設(shè)置阻尼設(shè)備，這樣可以有效地消除波浪造成的影響，加強(qiáng)了水位的準(zhǔn)確的讀數(shù)，但是也會引起水位的壓縮或者水位的滯后。這種觀測水位的方法就是通過現(xiàn)代化的通信科學(xué)技術(shù)來觀測潮位的變化，可以進(jìn)行自動的波浪的改正，提高觀測精度。而且這種水位計觀測法，體積設(shè)備較小，比較容易攜帶和使用。但是這種水位計觀測法也具有缺點(diǎn)，就是要求傳感器的制作過程必須認(rèn)真嚴(yán)格。

（3）潮位改正誤差

在對潮位誤差的改正過程中，必須將實(shí)際的水的深度值，換算為理論上的平均海面或者深度基準(zhǔn)面的島程，就是進(jìn)行水位的改正。

潮位改正的數(shù)學(xué)公式為：

H=h.Hc

式中，H為理論深度基準(zhǔn)面的高程。

h為實(shí)測的水深，

He為瞬時相對干理論深度基準(zhǔn)面的潮位

上面公式的潮位誤差分析不是針對大規(guī)模的海洋水深潮位的計算，只是簡單的適用于某個小湖位的，而大規(guī)模的海洋水深潮位，應(yīng)該設(shè)立多個驗(yàn)潮站進(jìn)行驗(yàn)潮，然后進(jìn)行內(nèi)插的改正。斷面潮位線性內(nèi)插，是通過兩個驗(yàn)潮站的水位觀測數(shù)據(jù)，推算兩站之間任意點(diǎn)處的水位值，其數(shù)學(xué)公式為：

Hx=Ha+（Hb-Ha）。Rax/Rab

式中：Hx為X點(diǎn)處某個時刻潮位的高度，

Ha、Hb分別為a、b兩潮站某個時刻潮位的高度

Rab為測點(diǎn)距離驗(yàn)潮站b的距離

Rax為測點(diǎn)距離驗(yàn)潮站a的距離

該數(shù)學(xué)公式是將潮位的基準(zhǔn)面以及各個驗(yàn)潮站之間的海面來作為商線進(jìn)行處理，上述公式僅僅適用于測點(diǎn)恰好位于兩驗(yàn)潮站連線上，而且潮差變化均勻的情況，在實(shí)際的測量中，海面為不規(guī)則的曲面，會給潮位內(nèi)插帶來誤差，不適合采用這種測量方法。

3提高測深精度的措施

（1）聲速改正

改正聲速可以有效地提高測量的精度，具體措施在進(jìn)行精度的測量前先進(jìn)行含鹽度以及水溫的測量，然后再進(jìn)行計算平均聲速。

（2）波束角誤差以及時間測定誤差的改正

改正時間測定誤差和波束角誤差也可以提高測量精度，時間測定誤差主要原因是技術(shù)問題，但是隨著科技的進(jìn)步，技術(shù)問題已經(jīng)不是主要的誤差來源，但是，波束角進(jìn)行測量時主要是人工來判讀，所以測量誤差較難控制，只能通過模擬海底的特征，根據(jù)數(shù)字模型來修正。

（3）水面高程傳遞誤差

水面高程傳遞誤差會影響測量的精度，我們一般通過提高水準(zhǔn)點(diǎn)的精度來改正潮位水尺零點(diǎn)的測定誤差。要想改正潮位觀測誤差，應(yīng)該通過采用先進(jìn)的潮位傳感器式水位計的觀測方法代替人工觀測的方法。

（4）在實(shí)際工作中，在風(fēng)浪中船姿搖擺引起的誤差由于不能即時測定搖擺的角度，所以一般會避免在中風(fēng)浪中進(jìn)行測量作業(yè)。

4.系統(tǒng)延時的綜合誤差

根據(jù)DGPS水深測繪系統(tǒng)的工作原理，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，因計算機(jī)、信號傳播延時以及附屬設(shè)備響應(yīng)等產(chǎn)生影響，從信號開始發(fā)射到進(jìn)入信號計算機(jī)這整個過程中延遲，造成時間誤差。

（1）差分GPS的時間延遲

由GPS水深測繪的原理就是通過移動臺接收來自基準(zhǔn)站差分改正。在移動臺接收的過程中，移動GPS接收機(jī)首先要進(jìn)行計算基準(zhǔn)站差分改正數(shù)然后再對改正數(shù)發(fā)射，緊接著是接收差分信號然后觀測衛(wèi)星、差分改訂三再次進(jìn)行發(fā)送位鬣信息最后是計算機(jī)接收信號。在GPS定位的這個過程中，有兩個方面的原因造成時間的延遲：第一是因?yàn)橥鶞?zhǔn)站GPS接收機(jī)計算出差分改正數(shù)，經(jīng)過數(shù)傳機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換到移動臺的數(shù)傳機(jī)，再經(jīng)過第二次的數(shù)模轉(zhuǎn)換最后進(jìn)入移動臺GPS接收機(jī)，中間產(chǎn)生時間的延遲；第二個原因是進(jìn)入移動臺GPS接收機(jī)的差分信號，經(jīng)接收機(jī)進(jìn)行處理計算最后送至計算機(jī)，再計算機(jī)進(jìn)行計算和存儲時產(chǎn)生時間延遲。

（2）測深儀、DGPS的同步誤左

在DGPS水深測繪系統(tǒng)中，計算機(jī)在最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄觀測，計算機(jī)能夠從DGPS接收機(jī)位置信號束觸發(fā)計算機(jī)記錄平面位氍，對于來自測深儀的信弓，以此刻以后最近的一次深度數(shù)據(jù)，合并劍平面位簧上，這樣就造成了深度值數(shù)據(jù)與平面定位數(shù)據(jù)的不同步，導(dǎo)致產(chǎn)生時問延遲。根據(jù)測深儀的工作原理，測深儀的接收電路和發(fā)射電路是循環(huán)的，也就是接收電路得到發(fā)射電路返回的信號后，再進(jìn)行計算深度值，然后發(fā)射給計算機(jī)，再發(fā)射另外一個脈沖信號。因?yàn)樯疃戎凳遣粩嘧兓模越邮蘸桶l(fā)射的時間間隔不固定，就要不能通過固定的時間來觸發(fā)、控制測深儀的發(fā)射過程。所以，時間延遲不受人的控制。

（3）船舶姿態(tài)產(chǎn)生的平而位囂誤差

在進(jìn)行安裝差分GPS水深測繪系統(tǒng)時，應(yīng)盡量將測深儀的換能器與GPS天線布置在同一平面上，但是在實(shí)際的測量過程中，由于船舶載體姿態(tài)左右進(jìn)行搖晃，就容易造成換能器以及GPS天線的中心出現(xiàn)偏差，這種偏差在載體坐標(biāo)系中分別表現(xiàn)在沿橫軸以及縱軸方向的偏差。

5 結(jié)束語

隨著社會的發(fā)展經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，海洋測繪中驗(yàn)潮儀器也得到長足的發(fā)展，外海布設(shè)驗(yàn)潮儀也更加簡單方便。在沿海岸線易于布設(shè)驗(yàn)潮儀的位置，不僅可以布設(shè)驗(yàn)潮儀，還能對外海潮汐進(jìn)行觀測，采用內(nèi)插與外推相結(jié)合的潮位模式改正精度提高潮位。

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