珠江水域水下地形測量中時延效應(yīng)分析

杜志彪 ，石曉春

（1. 廣州港工程管理有限公司，廣東 廣州 510730；2. 廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

目前，差分GPS已廣泛應(yīng)用于海洋測量，一方面定位系統(tǒng)的精度已得到大幅度提高；另一方面海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展對定位和測深成果的質(zhì)量提出了更多和更高的要求[1]。在實際測量過程中，由于GPS定位與測深系統(tǒng)分屬兩個獨立系統(tǒng)，如果定位和測深系統(tǒng)不同步，將使測深值產(chǎn)生位移，整個海區(qū)海底形狀會產(chǎn)生變形，這種影響稱為時延效應(yīng)?，F(xiàn)在高新技術(shù)手段的應(yīng)用（差分GPS定位系統(tǒng)及智能測深儀），自動化程度得到了極大提高，時延效應(yīng)呈現(xiàn)為系統(tǒng)性[2]。針對這種系統(tǒng)性時延效應(yīng)，多位專家學(xué)者根據(jù)實踐經(jīng)驗，已提出相應(yīng)的探測與修正方法——特征點對法、基于斷面一致性原則確定延時[3]、同一目標(biāo)探測法、同一測線探測法[4]、特征點匹配法、斷面平移法[5]、波形分析法[6]、測量等深線的偏移[7]、基于相關(guān)系數(shù)迭代法[8]等方法。本文結(jié)合可操作性及工程實際，基于同一測線往返測量，采用斷面平移法對系統(tǒng)性時延效應(yīng)進(jìn)行分析，并對系統(tǒng)性延時效應(yīng)進(jìn)行探測和改正，得出一些有益的結(jié)論，為類似工程應(yīng)用提供參考。

1 系統(tǒng)性時延效應(yīng)分析

在實際測量中，由于測深和定位設(shè)備的數(shù)據(jù)采集率以及傳輸通道出現(xiàn)“瓶頸”現(xiàn)象，使得計算機記錄數(shù)據(jù)不同步，出現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄與采集時刻錯位。由于這樣的時延依賴測量設(shè)備信號和計算機數(shù)據(jù)處理，時延效應(yīng)表現(xiàn)得非常明顯[3]。

對于測量過程中時延情況，行業(yè)作業(yè)規(guī)范中對此也作了相關(guān)要求：測量前測量船應(yīng)與水位站和定位站校對時間，采用內(nèi)外業(yè)一體化水深測量系統(tǒng)時，應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)航時延改正[9,10]。本文從定位和測深產(chǎn)生的時延效應(yīng)出發(fā)，來探求系統(tǒng)性時延對測深的影響，如圖1所示。

當(dāng)測量船沿著計劃線同向施測時，系統(tǒng)性時延將使采集的每個水深值同向移位Δ（圖1a所示），整個海底形狀會產(chǎn)生漂移，當(dāng)測量船沿計劃測線往返交替施測時(圖1b所示)，系統(tǒng)性時延將使往測方向測深值同向偏移Δ，反測方向測深值反向偏移Δ，整個海底形狀產(chǎn)生條帶狀交叉錯位。移位Δ的大小與船速成正比，按平時常用的測量船速6.5節(jié)，即3.3 m/s，當(dāng)時延為0.5 s時，位移量Δ=1.65 m，往返向位移量會達(dá)到2Δ=3.3 m，在高精度、大比例水下地形測量工程中，時延效應(yīng)不容忽視。

圖1 系統(tǒng)性時延效應(yīng)示意圖

2 系統(tǒng)性時延改正方法

由于測深工作是在動態(tài)環(huán)境下進(jìn)行的，船體姿態(tài)對測量水深的結(jié)果影響較大，加上沿海水下地形通常比較平坦，憑水深測量數(shù)據(jù)難以捕獲同一水深特征點的位置。為有效反映水下地形測量中系統(tǒng)時延問題，本文基于同一測線往返測量，采用斷面平移法[5]，對系統(tǒng)性時延效應(yīng)進(jìn)行探測和改正。

目前，在基于差分GPS和測深儀的水下地形測量中，二者均可以以較高的采樣率實施定位和測深數(shù)據(jù)采集。這樣，實測數(shù)據(jù)可以全面反映水下地形斷面情況，在船速保持近似勻速的情況下，往返斷面的細(xì)節(jié)可以被清晰地捕捉。因此，往返實測斷面均可以構(gòu)成一條連續(xù)的曲線。由于地形在短時間內(nèi)不變，通過比較往返斷面的相似性，對往返斷面進(jìn)行平移，在兩條往返斷面最大相似情況下獲取匹配效果下的位移量。兩個斷面的相似系數(shù)可以用（1）式表示：

式中，存在兩個高程序列A和D，當(dāng)兩個序列完全一樣時，相關(guān)系數(shù)R為1；當(dāng)兩個斷面不存在相似性時，相關(guān)系數(shù)R為0，（式中，D為斷面距離取值范圍，d為斷面平移量）。

平移時，以一個斷面為參考基準(zhǔn)。每移動一個距離，會得到一個相關(guān)系數(shù)，連續(xù)移動時，會得到一組相關(guān)系數(shù)和平移量。在移動距離盡可能小的情況下，當(dāng)相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大時，說明兩個斷面相似性達(dá)到最大，而此時的移動量dR-max可以認(rèn)為是因為時延引起的斷面滯后量。若往返斷面測量過程中，船速平均為和，則系統(tǒng)時延為：

斷面平移方法需要高采樣率的數(shù)據(jù)密度，這樣才能實現(xiàn)斷面匹配的最大相關(guān)性，才能對時延量的確定達(dá)到最準(zhǔn)?，F(xiàn)代海洋測繪中，高度自動化、高采樣率的數(shù)據(jù)獲取變得容易實現(xiàn)，參與時延計算的數(shù)據(jù)量足夠大，因此該方法相對傳統(tǒng)方法具有明顯優(yōu)勢。

3 實例驗證

為驗證該方法的有效性，以珠江內(nèi)河水域?qū)崪y數(shù)據(jù)為例具體分析。實驗設(shè)備主要為：HY 1600單頻測深儀，換能器工作頻率為208 kHz，分辨率0.01 m，測量精度為±（0.01 m＋0.1%D，D為所測深度）。天寶SPS351定位設(shè)備，頻率范圍為 283.5～325 kHz，定位精度小于1 m。測圖比例為1∶500，水深范圍為0～15 m，每條測線長約400 m，每條測線均進(jìn)行了往返測量，船速勻速近似為6.5節(jié)（即3.3 m/s）。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用中海達(dá)成圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，進(jìn)行聲速、吃水、姿態(tài)改正后，形成每條斷面的高密度測深值。圖2為一條初始往反測斷面圖，從中可以明顯看出由于時延問題所產(chǎn)生的斷面錯位影響。

通過斷面平移法對斷面線進(jìn)行修正，修正后的往返測斷面圖如圖3所示。從改正后的效果圖明顯看出，通過時延改正后的斷面，斷面的相似、一致性得到明顯改善，說明時延改正有效消除了系統(tǒng)性時延對測深定位產(chǎn)生的影響，從而確保了成果質(zhì)量，提高了測量精度。

圖2 初始往返測斷面圖

圖3 斷面平移法修正延遲后往返測斷面圖

為獲取較高準(zhǔn)確度的時延量，通過計算4條斷面線的時延量（不同測線對應(yīng)的時間延遲如表1所示），并求取均值作為最終結(jié)果，取平均值0.27 s作為整個時延改正延遲的依據(jù)，按平均船速約6.5節(jié)計算，時延引起的測深值位移偏差為0.89 m。由此可以看出，時延效應(yīng)改正是十分必要的。

表1 不同測線對應(yīng)的時間延遲

4 結(jié) 語

差分GPS技術(shù)在水下地形測量中，時延效應(yīng)是引起測深偏差的一個重要因素，尤其是在船速大、坡度大的情況下，引起的測深偏差更大，在進(jìn)行高精度的測量過程中必須進(jìn)行必要的時延探測及改正。系統(tǒng)時延效應(yīng)的探測，必須要有高精度、高密度的水深和定位值，并盡可能獲取多余觀測量，以提高時延確定的精度和可靠性。