第五章-水下地形测绘ppt课件

工程测量学 水下测绘概述 一 概述建设现代化的深水港 开发国家深水岸段和沿海 河口及内河航段 已建港口回淤研究与防治等都需要高精度的水下地形图 在桥梁 港口码头以及沿江河的铁路 公路等工程的建设中也需要进行一定范围的水下地形测量 海洋渔业资源的开发和海上养殖业等都需要了解相关区域的水下地形 海洋石油工业及海底输油管道 海底电缆工程和海底隧道 以及海底矿藏资源的勘探和开发等 更是离不开水下地形图 江河湖泊及水库区域的防洪 灌溉 发电和污染治理等离不开水下地形图这一基础资料 在军事上 水下潜艇的活动 近海反水雷作战兵力的使用 战时登陆与抗登陆地段的选择等 其相关区域的水下地形图是指挥作战人员关心的资料 从科学研究的角度上看 为了确定地幔表层及其物质结构 研究板块运动 探讨海底火山爆发与地震等 也需要水下特殊区域的地形图 为了进行国与国之间的海域划界工作 高精度的海底地形图是必备的 二 水下测绘测量的基本内容1 建立平面和高程控制测量基础 一般沿着所测区域进行面状或线状布设 海上控制网 海岸 岛 陆 岛 岛控制网 二 水下测绘测量的基本内容2 进行水位观测 确定平均海面 深度基准面和计算水深测量时的水位改正 二 水下测绘测量的基本内容3 进行水深测量 助航标志的测量 航行障碍物的调查探测 水文和地质测定等 二 水下测绘测量的基本内容4 进行海岸地形测量 三 坐标系基准1 平面坐标采用国家统一规定的坐标系 其与地心坐标系的关系采用国家统一使用的转换参数或满足规范精度要求的区域性转换参数 2 高程采用1985年国家高程基准 远离大陆的岛 礁 其高程基准可采用当地平均海面 3 以理论最低潮面作为深度基准面 深度基准面的高度从当地平均海面起算一般情况下 它应与国家高程基准进行联测 深度基准面一经确定且在正规水深测量中已被采用者 一般不得变动 灯塔 灯桩的灯光中心高度从平均大潮高潮面起算 海岸线以平均大潮高潮时所形成的实际痕迹进行测绘 5 1 精度要求和技术设计一 精度要求水深测量的精度主要由测点的测深精度和定位精度决定 其精度必须满足相应的国家标准 行业标准或特定测量项目的精度要求 二 技术设计包括项目设计和技术设计1 项目设计主要包括确定测区范围 划分幅图和确定测量比例尺 标定免测范围或确定不同比例尺图幅之间的具体分界线 明确实施测量工作中的重要技术保证措施 编写项目设计书和绘制有关附图 2 专业设计首先应全面地收集和分析测区有关资料 进行初步设计 然后对某些资料不足或难以评估资料可靠性的海区 进行实地勘察和调查 在此基础上对初步设计进行修改和充实 并编制技术设计书 3 资料收集和分析在技术设计之前 应收集测区下列资料 1 最新出版的地形图和海图 2 控制测量成果资料及其说明 3 水位控制资料 4 助航标志及航行障碍物的情况 5 其他与测量有关的资料 对所收集的资料 应对其可靠性及精度情况进行全面分析 并作出对资料采用与否的结论 一 实地勘察勘查内容1 调查测区行政区划 社会情况 自然地理 水文气象 通讯 交通运输 物资器材 医疗卫生和船舶避风锚泊等条件 2 勘察已有控制网 点 和水准点位置 标志类型及保存情况 实地勘察所需增设的控制点 包括显著物标 间的通视情况 确定其位置 觇标类型及标高 勘察导线路径上物理测距仪的工作条件 3 检查已有验潮站水准标志的保存情况 对潮汐性质复杂资料又不足的海区 一般均应设站勘察 拟新设的站 应勘察站位和设站条件 4 资料不足的港 湾 河口及易变地段应进行实地勘察 以提出合理的施测方案 5 调查了解测区内航行障碍物的变化情况 6 勘察岸台 检查台 比对点的位置 测试测区电磁场对无线电定位仪的干扰情况 二 制定技术设计书通过实地勘察 对初步设计进行修改 制定技术设计书 技术设计书由技术说明书 控制测量 水深测量和海岸线地形测量设计图及有关附图和附表组成 技术说明书的内容为 1 任务的来源 性质 技术要求 测区的自然地理特点 技术设计的依据及原有测量成果的采用情况 2 各施测控制点的等级 标石和觇标类型及造埋数量 水深测量图幅 测深里程 航行障碍物的数量 海岸地形测量的图幅 面积和岸线长度 3 作业所需的各种主要仪器 器材 船只类型和数量 4 根据测区地理气象及技术装备条件 确立不同海区的作业率 并计算各种测量作业的工作量和工作天数 5 根据测区特点和作业技术水平 重点提出适当的作业方法和注意事项 必要时应作出具体技术指示 三 测线布设 1 测深水域的确定在进行海底地形测量前 需确定要测量水域的范围 通常应用陆地控制点 采用常规陆地测量方法 测取需测深海域和海滩外围的范围 也可以先测定海岸及沿海地形图 这样 就可以圈定测深线布设的范围和设计测量方法 也可以实现海洋地形和陆地地形的拼接 2 测深线的布设测深线又称计划线 是测量仪器及测量仪器载体的计划探测路线 测深线可以分主测深线 补充测深线和检查测深线 测线布设是水下地形测量技术设计的主要内容之一 测设布设主要考虑测线间距和测线方向 测线间距是水下地形测量要求的一项重要指标 测深线的间隔确定原则应根据对所测海区的需求 海区的水深 底质 地貌起伏的状况 以及测深仪器的覆盖范围而定的 国内外具体处理方法一般有两种 一种是规定图上主测深线的间隔为10mm的情况下 根据上述原则确定海区的测图比例尺 另一种是根据上述原则先确定实地上主测深线的间隔 再取其图上相应的间隔 如6mm 8mm 10mm 最后确定测图比例尺 我国水下地形测图比例尺一般为 港地以及一些面积较小但较重要的岛屿周围 以1 5000比例尺施测 港湾 锚地 狭窄水道 岛屿附近及其他有较大军事价值的海区 以l 10000比例尺施测 开阔的港湾 地貌较复杂的沿岸海区及多岛屿海区 以1 25000比例尺施测等 测深线方向的布设原则 1 有利于完整地显示海底地貌2 有利于发现航行障碍物3 有利于进行测绘工作 测深线的布设方向 1 测深线垂直于等深线方向或者平行于等深线方向布设 测线布设的方向对采用单波束测深仪或多波束测深仪是不同的 原则上 采用单波束测深仪时 主测线应垂直等深线方向布设 虚线 采用多波束测深仪时 主测线应大致平行于等深线方向布设 实线 3 测深线成辐射线 平行圈 螺旋线方向 沙嘴 岬角 石陂延伸处或重要海区的礁石与小岛周围 2 测深线与水流轴线成450方向 对狭窄航道 锯齿形海岸 补充测深线主要用于局部重要海域的加密测深和对礁石 沙嘴 沉船等的探测 为了检查测深与定位是否存在系统误差或粗差 并以此衡量测深测量成果总的精度 需要布设检查线 检查线的方向应尽可能与主测线垂直 分布均匀 要要求布设在较平坦处 能普遍检查主测深线 检查线一般应占主测线总长5 10 5 2导航定位 一 全站仪定位 二 导航 GPS 定位 三 数据获取与质量控制 一 全站仪定位传统的光学仪器定位 以行驶的测船上与测深点在同一铅垂线的标志为观测目标 由岸上的两台经纬仪同时照准目标 实施前方交会法定位 并且做到与水深测量工作同步 近年来 随着电子仪器的普遍使用 用传统的光学经纬仪前方交会法定位已很少采用 新的方法是直接利用全站仪 按方位 距离的极坐标法进行定位 观测值通过无线通信可以立即传输到测船上的便携机中 立即计算出测点的平面坐标 与对应点的测深数据合并在一起 也可储存在岸上测站与全站仪在线连接的电子手薄中或全站仪的内存中 到内业时由数字测图系统软件 可自动生成水下地形图 二 导航定位 一个典型的水深测量定位系统包括 GPS接收机 安装有导航系统软件的计算机 导航显示器 操作员使用的显示终端以及与探深仪连接的的数据通讯电缆 有时还需要专门的同步定标器 其目的就是控制测深仪的定标时间和GPS的定位取样时间保持一致 导航定位软件具有数据采集 质量控制以及界面友好的导航定位信息显示功能 导航定位显示信息包括 测线和测量船的位置 导航信息与数据采集信息 以及供船驾驶的航向和偏航等 1 单点GPS定位 单点GPS定位就是采用一台GPS接收机 以测码伪距为观测量 根据单点定位的原理 确定测量船的水深测量瞬时位置在WGS 84系中的坐标 也称为绝对定位 定位的精度取决于应用的测距码 当采用P码时 单点定位精度为5 10米 当采用S码时 定位精度为20 50米 根据水下地形测量定位精度的要求 当测量比例尺小于1 50000时 由于定位精度要求低 采用单点定位GPS定位方式可以满足测图精度 2 GPS差分定位 目前GPS系统提供的单点定位精度是优于25米 而为了得到更高的定位精度 我们通常采用差分GPS技术 将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测 根据基准站已知精密坐标 计算出基准站到卫星的距离改正数 并由基准站实时将这一数据发送出去 用户接收机在进行GPS观测的同时 也接收到基准站发出的改正数 并对其定位结果进行改正 从而提高定位精度 根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位技术分为三类 即 位置差分 伪距差分和相位差分 1 位置差分定位 这是一种最简单的差分方法 安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位 解算出基准站的坐标 由于存在着轨道误差 时钟误差 SA影响 大气影响 多径效应以及其他误差 解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的 存在一个差值 基准站利用数据链将此改正数发送出去 由用户站接收 并且对其解算的用户站坐标进行改正 最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差 例如卫星轨道误差 SA影响 大气影响等 提高了定位精度 以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况 位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况 2 伪距差分定位 伪距差分是目前用途最广的一种技术 在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离 并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较 利用一个 滤波器将此差值滤波并求出其偏差 然后将所有卫星的测距误差传输给用户 用户利用此测距误差来改正测量的伪距 最后 用户利用改正后的伪距来解出本身的位置 就可消去公共误差 提高定位精度 与位置差分相似 伪距差分能将两站公共误差抵消 但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差 这种误差用任何差分法都是不能消除的 用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响 3 GPS RTK定位系统 RTK技术始于20世纪90年代初 是基于载波相位观测值基础上的实时动态定位技术 如图所示 RTK技术的工作模式是在已知点上架设基准站 接受机借助电台将其观测值及坐标信息 发送给流动站接收机 流动站接收机通过电台 数据链 接受来自基准站的数据 同时还要采集GPS观测数据 在系统内形成载波相位差分观测方程 采用卡尔曼滤波技术 在运动中初始化求出整周模糊度 并进行实时处理 求得其三维坐标 X Y Z 精度可达厘米级 3 局部区域网差分定位系统 局域差分 LADGPS 是在局部区域内布设一个GPS差分网 网内由若干个差分GPS基准站组成 通常还包含至少1个监控站 处于该局域内的用户可根据多个基准站提供的改正信息 经平差后求得自己的改正数 它的作用距离一般在200 300km内 如我国沿海建设的信标差分网 局域差分GPS技术通常采用加权平均法或最小方差法对来自多个基准站的改正信息进行平差 求出自己的坐标改正数或距离改正数 3 RBN DGPS定位系统 RBN DGPS定位系统是我国交通部在沿海区域建立的无线电指向标 差分全球定位系统 整个系统由均匀分布在沿海的21个台基准站组成 形成了一个LADGPS区域性定位系统 该系统利用无线电信标站台向移动站播发差分改正信号 为我国沿海提供差分GPS的24h服务 使用户在400km海域内接收差分信号 陆地100km内接收差分信号得到2 5m的定位精度 用户只要拥有一台信标GPS接收机 就可利用这一免费信号资源 进行实时差分定位 此技术正在得到大力推广 4 广域差分GPS定位系统 广域差分 WADGPS 技术是针对LADGPS系统 由于DGPS的定位精度随移动站和基准站之间距离的增加而降低 即使是多基准站的LADGPS系统 精度也难以保障 该系统主要由监测站 主站 数据链和用户设备组成 原理是对GPS观测量的误差源分别加以区分和 模型化 然后将计算出来的每一个误差源的误差改正数 差分值 主要包括每颗卫星的的星历和时钟改正数 还有电离层延迟参数 通过数据通讯链传输给用户 对用户GPS接收机的观测误差加以改正 以达到削弱这些误差源的影响 改善用户GPS定位精度的目的 广域差分主要模型化以下三类GPS定位的误差源 星历误差 大气延时误差 卫星钟差误差 三 数据获取与质量控制 1 测量前应该在已知点上对GPS接收机进行检校和比对测量 为定位观测中误差 为对比观测值个数 为已知点坐标值 为对比观测坐标值 2 当采用自设基准站DGPS或RTKDGPS定位时 基准站应注意点位周围地平仰角 GPS海控级点周围100 150以上应无障碍物 距点位1公里内无强功率的电台 微波中继台等电辐射源 点位应尽量避开大型金属物体 大面积水域和其他易反射电磁波物体等 以免产生多路径效应误差 3 GPS点间至少应有一个方向通视 受条件限制无法通视时 应在GPS点附近设立方位点 方位点与GPS点间的距离一般不小于300米 其观测精度与GPS点相同 4 GPS定位测量的坐标值应该转换为工程项目的坐标值 在获取定位数据时采用等时和等距的方式与测深数据同步进行 5 3 水深测量水深测量是水下地形测量最主要的内容 根据使用的测量工具 测深方法主要有人工测量 测深声纳测量以及近年来发展起来的机载激光测深系统 从上世纪60年代末至今开始在水质透明的水域测探 测探深度大60米 目前这项技术还未广泛使用 在水下地形测量中 最早的探测工具是测深釺和测深锤 这些工具依然在很多现代设备无法工作困难地区发挥作用 水深测量经历了如下几个发展阶段 测绳重锤测量 点测量 单频单波束测深 点测量 双频单波束测深 点测量 多波束测深 面测量 机载激光测深 面测量 水下地形测量原理 水下地形测量包括两部分 定位和水深测量 定位主要采用的是GPS差分定位模式 而水深测量采用的是回声测深仪的方法 这样就可以确定水底点的高程 式中 Gi为水底点高程 H为水面高程 D为测量水深 Di为换能器的静吃水深度 在观测条件比较好的情况下 考虑RTK具备比较高的高程确定精度 同时严格考虑船姿的影响 无验潮模式下的水底点高程可通过下式确定 式中 H为GPS相位中心的高程 通过RTK直接确定 h为GPS接收机天线相位中心距换能器面的垂距 a为姿态引起的深度改正 测深绳 1 测探锤一般重量约3 5千克 水深和水流速较大时用5千克 在测探锤的绳索上每个10厘米做一标志 以便读数 它适合于水深小 流速小的浅水区 测深时应使测探锤的绳索处于垂直位置 在读取水面和绳索交界处的读数值 目前很少使用 一 人工探测 测探杆适用于水深5米以内且流速不大的水区 同时测钎杆上每个10厘米做一标志 以便读数 现在很少使用测探杆 但是在水深小于1米时 激光回射信号精度不够时 测探杆还是更加有效的 测深杆 一 测深原理回声测深仪由换能器和控制仪两大部分组成 在控制仪指挥下发射换能器按预定的时间间隔发生短促的电脉冲 并转换成超声波向水下发射 该声波自水底反射后向上 其中一部分反射波被接收换能器接收 并转换为电脉冲 经放大后输入控制仪 发射脉冲和接收脉冲之时间间隔即 t 从而就可以求出水深了 二 单波束回声测深仪 水深的计算 回射信号经接受放大器接受放大后 使记录纸被击中 在纸上留下一个小黑点 所以在连续的情况下 在记录纸上将留下一条曲线 这条曲线就是海底深度模拟曲线记录 现代探测仪在定位的瞬时 将在记录纸上打印出探测时间 测点号和所测海水深度 除了记录外 数字似的探测仪还可以将模拟信号转换成数字信号 同时记录测点深度 电脑成图 二 测深仪的安装 单波束测深仪换能器是水深测量精度的重要环节 换能器一般安装在离船首距离为船身总长的1 3处 而且要安装牢靠 远离发电机电动机 进排气管 避免受气泡 电磁场和机械杂声对声波速度的影响 换能器安装在水深0 3 0 8米 具体因设计要求而定 并且换能器长轴安装要和船艇的轴线平行 还要通风良好 振动小 便于操作等等 三 测深仪的校准 1 计算校准海水声速 2 现场仪器应用海水声速的确定 式中 c表示现场测定的海水声速 t表示海水当时的温度 S表示海水的盐度 h表示现场校准时海水的深度 式中 v2表示现场应用的仪器声速 v1为校准时的仪器声速 c2表示现场海水声速 c1表示现场校准时海水声速 四 深度测量 经过检校的探深仪 可以进行水深测量工作 1 做好开机前的检查工作 2 做好接通电源的检查工作 3 做好数字记录的检查工作 4 做好深度测量的检查核对及补测工作 五 误差来源与质量控制测深误差可以分为3类 粗差 系统误差和随机误差 这里的粗差是指由于测深仪的机械或电子部件损坏引起的误差 系统误差主要是由于测深仪换能器和测量船的姿态传感器的安装偏移产生的误差 这些误差主要通过系统的校准来检测 并根据检测的误差大小和符号加以补偿改正 而随机误差则是采用统计方法来分析 1 地形倾斜引起的误差 为测量水深 实际深度值为z 为测量光束宽度 2 声速引起的误差 在单波束测量中 声音随时间和空间而发生变化 其中变化是产生测深误差的主要外部误差源 声速误差的大小主要和这些因素有关 声速测量的精度 声速随时间的变化 声音随空间的变化如果声速测量值方差为 声速随时间和空间变化产生的方差为 则深度测量的方差为 3 时间测量引起的误差 回声测深仪是通过转换测量声波在水中传播的时间获得深度距离的 因此 测深误差与时间测量误差直接相关 由于时间测量误差 方差产生的深度测量中误差为 现代化的测深仪 时间测量误差一般比较小而且稳定 可以通过检校测量出来 4 测量船的姿态测量引起的误差 测量船的姿态测量包括穿的横摇 纵倾和起伏 我们知道当船身的横摇角和纵倾角大于半波束宽度时 会产生过深度误差和位置误差 我们称横摇和纵倾引起的共同误差为诱导起伏误差为 起伏误差为那么总的起伏中误差为 5 换能器相对位置变化产生的深度误差 误差主要包括三部分误差 换能器吃水 draught 变化 船航行的沉降 settlement 船运动时的蹲伏 squat 6 对测量记录的判读和分辨误差 测深记录的判读和分辨率主要和测深仪的工作原理有 但采用模拟纪录时 操作员应该选择设置合适的参数比如信号的增益 记录的垂直比例尺 最佳家的分辨率 判读误差主要和操作员的经验有关系 假设测深记录纸的宽度为20cm 记录比例为0 200米 则0 5mm的判读误差间产生0 5米的深度误差 所以浅水测量不能满足精度要求 通常用表示判读误差 其中误差为 7 深度归化误差 测量的深度值应该为通过潮汐或者水位改正归化到相应的深度基准面上的水深 由于潮汐或者水位误差产生的深度误差为 其中误差为 综上所述 根据以上分析我们利用误差传播定律有水深测量归化后的方差 二双频单波束测深 点测量 换能器垂直向水下发射高 低频声脉冲 由于低频声脉冲具有较强的穿透能力 因而可以打到硬质层 高频声脉冲仅能打到沉积物表层 两个脉冲所得深度之差便是淤泥厚度 h 常规水下地形测量 回声测深仪只能沿测线测量水深值 而多波束测深仪是一种能够一次给出与航向垂直的剖面内几十个甚至上百个水下测点水深值的测量仪器 多波束测深仪的特点 1 全覆盖无遗漏测量 2 高分辨率测量 3 高精度和高效率测量 4 多用途 多信息测量 三 多波束测深仪 多波束测深仪的换能器基阵精密安装在船底或拖曳在船尾 因为其测深的声线是斜距 声速剖面的精确性和船航行时的摇摆 升降对观测精度影响特别大 因此多波束测深仪要配置姿态传感器或涌浪滤波补偿仪及声速剖面仪 姿态传感器能测出横滚 俯仰 偏航参数 采用这些参数对水深值和位置进行改正 涌浪滤波补偿仪能对因波浪运动而引起的误差源进行校正补偿 输出数据包括 涌浪 未校正深度 校正后深度和可选择的横摆 纵摆数据 最新多波束测深仪性能 等角波束 EquiangularBeamSpacingmode 等间隔处理 EquidistantFootprintmode CrossFanBeam频率 12kHz 500kHz测深 几米 万几千米波束幅 单一波束0 5 2 0度千米以深12k 24k千米以浅100k 500k 多波束测深仪的海底地形地貌探测 多波束测深仪的测量 波斯湾水深50m货船 水深12 20m管道 水深500 2000m火山口 分层设色的水下地形图 多波束数据 LIDAR是 LightDetectionAndRanging 的首字母缩写 即利用光进行目标探测和测距的技术系统 从其字面可以理解 LIDAR概念包括三个组成 光源 测距和探测 GPSIMULaser 五机载激光水下地形测量 面测量 激光测深的原理与双频回声测深原理相似 从飞机上向海面发射两种波段的激光 一种为红光 波长为1064nm 另一种为绿光 波长为523nm 红光被海水反射 绿光则透射到海水里 到达海底后被反射回来 这样 两束光被接收的时间差等于激光从海面到海底传播时间的两倍 由此可算得海面到海底的深度 机载激光测深基本原理 激光测深系统目前测深能力一般在50m左右 测深精度在0 3m左右 机载激光测深具有速