海底地形測量技術在南麂列島生態(tài)浮標選址中的應用

朱勇，陳良周

(1.揚州市職業(yè)大學，江蘇 揚州 321009； 2.浙江省第十一地質大隊，浙江 溫州 325006)

海底地形測量技術在南麂列島生態(tài)浮標選址中的應用

朱勇1*，陳良周2

(1.揚州市職業(yè)大學，江蘇 揚州 321009； 2.浙江省第十一地質大隊，浙江 溫州 325006)

介紹了水深測量的方法、水深測量誤差的影響因素以及海底地形測量技術方案等，并以南麂列島生態(tài)浮標選址海底地形測量項目為例，敘述了單波束配合人工潮位觀測進行海底地形測量全過程，并對結果做了分析。

水深測量；誤差分析；海底地形測量；生態(tài)浮標選址

1 引 言

海底地形測量是指確定海底地貌情況，并將有關要素展繪在圖紙上，所繪制的地形圖是海洋研究，國防和經濟建設所必需的基礎資料。海底地形和陸地地形一樣，包括海底地物和海底地貌兩部分。海底地貌是指高低起伏的海底形狀，包括礁石、淺灘和深溝等；海底地物是指沉船和其他障礙物等。本文以南麂列島生態(tài)浮標選址海底地形測量項目為例，敘述了單波束配合人工潮位觀測進行海底地形測量相關技術問題。

2 水深測量方法與誤差分析

2.1 水深測量方法

水深測量的主要方法有單波束與多波束回聲測深儀等。

單波束測深也叫回聲測深法，一般是利用船上裝的測深儀向海底發(fā)射聲波，通過測定接收到海底反射聲波的時間，計算海水面到海底距離。單波束測深波束的指向性和發(fā)射脈沖的寬度分別影響被測目標的方位和深度分辨率。單波束測深儀數(shù)字化記錄和圖上的水深值，是由換能器底面至海底的深度值。換能器浸沒在海水中，由于測深儀設計轉速、聲速與實際的轉速、聲速不同以及換能器的安裝等原因，需要對其進行吃水改正、基線改正、轉速改正及聲速改正等。目前，對各項改正一般采用綜合處理，求取總改正對測量深度的影響，通常采用的改正方法包括校對法和水文資料法。[2]校正法適用于小于 20 m的水深。利用校準工具，如帶有刻度電纜的水聽器、帶有刻度纜繩的比對板等，置于換能器下面一定深度處，讀取校對工具的入水深度，與測深儀的讀數(shù)相比較，差值為測深儀總改正數(shù)△Z。水文資料法適用于大于 20 m的水深，利用實測數(shù)據(jù)(包括各水層的溫度、鹽度、深度)分別利用相應的公式求取各改正數(shù)，最后求取測深儀總改正數(shù)。

多波束測深系統(tǒng)是為了測定船只航線兩側的海底信息資料而研制的一種能在測船航線左右兩側對稱的有效帶內測定全部海底地形信息的回聲測深系統(tǒng)，它是在回聲測深儀基礎上發(fā)展而來的，其基本原理和回聲測深儀相同，它們最大的區(qū)別就在于單波束和多波束，如圖1所示。

圖1 多波束水深測量原理

與傳統(tǒng)的單波束測深儀相比較，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、速度快、精度高、記錄數(shù)字化以及成圖自動化等諸多優(yōu)點，它把測深技術從原來的點線狀擴展到面狀，并進一步發(fā)展到立體測圖和自動成圖，從而使海底地形測量技術發(fā)展到一個較高的水平。多波束換能器以一個較大的開角(如120°)向水下發(fā)射聲波多波束，同時接收幾十束或上百束聲波，那么每發(fā)射一個聲波，便可在垂直于航線上得到一組水深數(shù)據(jù)。當測量船連續(xù)航行時，便可得到一個寬帶的水下地形資料[6，7]。

2.2 水深測量誤差分析

除了常規(guī)水深測量改正以外，還必須考慮周邊環(huán)境對測深的影響，包括波浪產生的船只橫搖、縱搖和升沉以及船速對定位、測深和航向改變等的影響[8]。

(1)波浪對測深的影響

波浪對測深的影響在淺水區(qū)主要表現(xiàn)為升沉方面，而在深水區(qū)主要表現(xiàn)為橫搖和縱搖方面。因此，為了提高測深精度，在小船上(用于淺水測量)應首要安裝升沉傳感器，在大船上(用于深水測量)應首要安裝縱、橫搖傳感器。同時，對于未安裝船姿傳感器的測量船來說，必須使測船的橫、縱搖角限制在一定范圍內[4]。

(2)船速對測深的影響

船速對測深的影響包括直接效應和間接效應。所謂間接效應是指船速作為參數(shù)伴隨其他效應對測深的影響。例如，動態(tài)吃水改正、定位與測深的延時效應、波浪對測深的影響等方面均存在著船速影響的間接效應[5]。本文主要從定位與測深兩個方面來討論船速對測深的直接效應?！逗５罍y量規(guī)范》規(guī)定水深點的定位中誤差應小于圖上 1.5 mm；在平坦海區(qū)，定位點圖上間隔為 4 cm，在復雜海區(qū)為 3 cm[10]。設1/k為測圖比例尺，ε為定位點圖上間隔，則定位點間隔實地距離d為：

d=kε

(1)

隨著海底地形測量的發(fā)展，獲得高密度的定位點是必需的。引入測船航速v，則可得定位點時間間隔△t0為：

△t0=d/v=kε/v

(2)

由于定位系統(tǒng)的定位時間間隔受到儀器硬件本身的限制，因此，通常情況下是通過已知定位系統(tǒng)的定位時間間隔△t0以及定位點的間隔ε來選擇合理的航速v，即：

v=d/△t0=kε/△t0

(3)

如果定位系統(tǒng)連續(xù)定位能力越高，則△t0越小。而對于DGPS定位來說，具有快速的連續(xù)定位能力，通?！鱰0≤1s，因此，船速問題對于定位點間隔的影響可以不加考慮。

船速與換能器測深頻率(重復脈沖頻率)的關系相對比較復雜。通常，測深頻率依賴于測量水深，并且不同的測深儀有不同的測深速率。設f為測深頻率，θ為換能器半波束角，d為測深深度，D為兩個連續(xù)脈沖之間測船移動的距離，則：

D=v/f

(4)

探測脈沖的覆蓋范圍為

2H=2dftanθ

(5)

顯然，如果D≤2H，則不會漏掉海底地形信息，因此可得：

v≤2dftanθ

(6)

合理的選擇船速不是一個簡單的問題，必須進行多方面的考慮和評估后來決定將采用的船速，建議采用以下的選擇方法：

①按照定位系統(tǒng)的連續(xù)定位能力(即最小定位間隔)及定位點圖上間隔來決定可采用的最大船速。

②按照測深系統(tǒng)的測深速率及海區(qū)水深來決定可采用的最大船速。

③選擇上述較小船速值，并對動態(tài)吃水改正及波浪等影響進行估算，若超出有關精度指標，則應進一步降低船速。

(3)潮汐對水深測量的影響

在海底地形測量時，還需根據(jù)測區(qū)范圍及測區(qū)的潮汐特點等因素設立驗潮站，并在測深的同時進行潮汐觀測，其目的對測深值進行潮汐改正，以獲得對應某一深度基準面的水深值[9]。當測區(qū)在某一水位站控制范圍內是，可根據(jù)該站的水位資料進行直接改正。為求得瞬時的水位改正數(shù)，可根據(jù)水位觀測資料，先繪出水位過程線。規(guī)范一般要求水位觀測每 10 min觀測一次[10]，而測深值的采樣間隔一般為幾分鐘到幾秒鐘，取決于測圖比例尺的大小，比例尺越大采樣間隔越密。為了進行水位改正，解決兩個數(shù)據(jù)時間不匹配的問題，必須進行潮汐觀測值內插。通常采用的方法有線性內插法、回歸內插法、時差法內插和分帶法內插法等[11，12]。

3 海底地形測量技術方案

3.1 測深線布設

測深線可以分主測深線、補充測深線和檢查測深線。主測深線是測深線的主體，它擔負著探明整個測區(qū)海底地形的任務；補充測深線起著彌補主測深線的作用；檢查測深線是檢查以上測深線的水深測量質量，以保證水深測量的精度。

主測深線的間隔依測圖比例尺選擇，一般為圖上 1 cm，允許變通范圍為圖上 0.5 cm～2.0 cm。在測深間距一定的情況下，應正確選擇測深線方向。依照不同的海域情況，測深線可采用不同方法布置。

3.2 水位觀測和測船定位

由于海水面是不斷變化的，所以在測量水深的同時，必須進行水位觀測。水位觀測的目的是為確定深度基準面與航行基準面提供依據(jù)以及為水深測量提供水位改正值，在水位站附近還應該布設有一個或若干個水準點作為水位站的水尺零點高程引測和定期檢核的基準。水尺零點高程的引測，視其精度一般可按四等水準或圖根水準聯(lián)測。

海底地形測量時，測量船以均勻的速度行使在測深線上，并按規(guī)定的間距進行水深測量和確定點的平面位置。常用的測深點定位方法有交會法、極坐標法、無線電定位法以及GPS定位法。在寬闊的湖泊、河口、港灣及海洋上進行定位時常用GPS定位法。

3.3 水深測量值的歸算

海洋測量得到的水深數(shù)據(jù)必須歸算為深度基準面至海底的垂直距離，所以必須要進行海圖深度改正，即瞬時深度=海圖深度+水位(潮汐)改正。而瞬時深度必須對回聲測深儀的觀測深度進行儀器改正、聲速改正和動態(tài)吃水改正，即：

瞬時深度H=觀測深度O+儀器改正△I+聲速改正△S+動態(tài)吃水改正△D

3.4 數(shù)據(jù)處理

海底地形測量的外業(yè)工作結束后，應及時地進行觀測成果的內業(yè)整理，將海底地形點展繪到圖紙上，勾繪等深線。對于點位精度要求的大比例尺海底地形圖，應求出各測點的坐標，根據(jù)坐標進行展點。勾繪等深線的目的，在于了解海底地貌的形狀，分析水下探測的完善性。同時，也可以發(fā)現(xiàn)特殊深度和分析測深線布是否合理，從而確定是否需要補測和加密探測等。因此，勾繪等深線時，要仔細、全面和盡可能地反映出海底地貌的變化情況。

4 工程應用及結果分析

南麂列島位于浙江省東南部海面，隸屬平陽縣鰲江鎮(zhèn)，整個列島由大小52個(面積大于 500 m2)島嶼組成，海岸線總長 75 km，陸域面積 11.13 km2。南麂島地處亞熱帶，海洋的自然環(huán)境條件優(yōu)越，特色鮮明。1990年9月經國務院批準列為我國首批5個國家級海洋類型自然保護區(qū)之一。南麂列島遠離大陸，海水清澈，含沙量低，海域底質以粉砂質黏土為主，海底地形自西向東南下傾，水深一般在 15 m～25 m之間，南麂島東北和西南兩側為深水通道，其水深在 30 m以上，最深處達 45 m。該區(qū)域以海蝕地貌為主，岸線曲折，岬角叢生，海灣眾多，礁石密布，沙灘多樣，是江浙沿岸流與臺灣暖流交匯和交替消長的區(qū)域。氣候溫和，年平均氣溫為16.5℃，夏無酷暑，冬無嚴寒。

本工程對國家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測中心站選定的兩塊選址區(qū)域進行 1∶2 000水下地形測繪，并在兩個選址區(qū)域內各采樣底質進行粒度分析，如圖2所示，以便全面掌握該區(qū)域水下地形和底質情況，為建立生態(tài)浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)建設提供基礎技術資料。工期為2015年6月8日～2015年6月22日，總工程量約 2 km2。

(1)選址一：馬祖岙，中心位置(121.0482E，27.4758N)

(2)選址二：大沙岙，中心位置(121°04′04.47″，27°27′21.86″)

圖2 測區(qū)范圍

4.1 平面坐標系統(tǒng)及高程基準

平面坐標系采用WGS84坐標系，橫軸墨卡托投影3°帶，中央子午線為120°E，高程(深度)基準采用1985國家高程基準(二期)。經現(xiàn)場踏勘，業(yè)主提供的3個控制點(GD25、GD44、GD45)點位保存完好，準確可靠，可以作為本次測量的起算依據(jù)。

4.2 水深測量

測前準備包括：

(1)測量的儀器檢查：包括用于外業(yè)測量的設備是否齊全、儀器是否正常工作、電瓶及鋰電池是否電力充足等。

(2)外業(yè)測量測線布設：測圖比例1∶2 000，測線間距不超過 30 m。

(3)測量前、后都需用測試板校準測深儀聲速并在測深紙上記錄。

外業(yè)測量包括水深測量、潮位控制、利用HYPACK進行數(shù)據(jù)編輯等。

(1)利用中海達HD-370全數(shù)字變頻測深儀和廣州南方S35差分機連接，形成一個完善的海上測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用南方S35差分機實時動態(tài)定位的優(yōu)勢，獲取每個測量點的平面坐標，以“GD25”為基準點測量。

(2)根據(jù)測區(qū)的特點決定采用驗潮模式進行水深測量，并以“GD025”作為驗潮站。

(3)嚴格執(zhí)行《水運工程測量規(guī)范》(JTS131-2012)[10]，測量前進行必要的儀器校準。采用國際通用的Hypack 4.3疏浚軟件施測，由計算機自動采集差分機收到的平面坐標、潮位及同步的水深數(shù)據(jù)，同時記錄時間并存盤，顯示航跡，測量時現(xiàn)場填寫外業(yè)工作記錄表。

(4)外業(yè)測量時，值班人員必須注意測線航跡間距、測深紙記錄、差分機接收等情況，當發(fā)現(xiàn)情況異常時，應及時進行補測。

4.3 成圖編繪整理

水下地形及淺灘測量數(shù)據(jù)經預處理后，統(tǒng)一采用CASS7.0軟件經無縫連接形成最終成果圖，如圖3所示。

圖3 最終成果圖

4.4 結果分析

將處理后的水深值插入等深線后，根據(jù)等深線的分布呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，可依次分析解釋水下地形地貌，判斷適合作為生態(tài)浮標選址。從圖3可以看出，該區(qū)域整體水深由西向東變淺，東部等深線密集，顯示水深變化變化較大，反映出這塊區(qū)域地形較為急劇。中西部區(qū)域等深線相對稀疏，且深度較東部變深，水深變化相對平緩，地形變化較東部平坦很多。掌握了該區(qū)域水下地形和底質情況，便可為建立生態(tài)浮標實時監(jiān)測系統(tǒng)建設提供基礎技術資料。

5 結 語

海洋測繪是我國測繪科學技術中的一個重要組成部分，水深測量是海洋測繪中的主要內容。本文通過對水深測量的基本原理、水深誤差分析做了簡要介紹，并以南麂列島生態(tài)浮標選址海底地形測量項目為例，敘述了單波束測深儀配合潮位觀測進行水深測量數(shù)據(jù)采集與處理的全過程。單波束水深測量技術已經在海洋測量中得到普遍應用，為了更好地實現(xiàn)水下地形的測量工作，不僅充分考慮儀器的精確度，選擇適當?shù)臏y量儀器，還要對其他的測量方面進行充分的兼顧，從而不斷推進我國海洋測繪技術的發(fā)展。

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Seabed Terrain Measurement Technology in Location of Nanji Island Ecosystem Buoy

Zhu Yong1，Chen Liangzhou2

(1.Yangzhou Polytechnic College，Yangzhou 321009，China；2.The eleventh Geological Brigade of Zhejiang Province，Wenzhou 325006，China)

This paper introduces the influence of water depth measurement method，measurement error factors and depth of the seabed terrain survey technology，and the ecological location of Nanji Islands buoy seabed terrain survey project as an example，describes the single beam with artificial tidal observation were bathymetric surveying the whole process，and the results are analyzed.

water depth measurement；error analysis；bathymetric surveying；ecological buoy site selection

1672-8262(2017)04-130-04

P229.1

B

2016—12—29

朱勇(1979—)，男，碩士，講師，主要從事《數(shù)字測圖》、《工程測量》等課程的教學以及研究工作。