海洋测绘-第八讲

海洋测绘,测绘工程教研室,第四章海洋水深测量,4.1海水中声波传播特性4.2水深测量方法4.3多波束水下测深系统4.4水深测量归算4.5波浪和船速对水深测量的影响4.6潮汐对水深测量影响分析,回顾,1.Seabat8101多波束测深系统的组成？2.多波束测深系统与传统水下测量手段相比有那些优点？3.形成海流、潮汐、海流的原因？,回顾,4.平均海水面？5.深度基准面？6.水深测量值的归算包括哪些？,第四章海洋水深测量,4.1海水中声波传播特性4.2水深测量方法4.3多波束水下测深系统4.4水深测量归算4.5波浪和船速对水深测量的影响4.6潮汐对水深测量影响分析,4.5波浪和船速对水深测量的影响,除了常规水深测量改正以外，还必须考虑周边环境对测深的影响，包括波浪产生的船只横摇、纵摇和升沉，以及船速对定位、测深和航向改变等的影响。,4.5.1波浪对测深的影响,当测深船在海水作业时，最直观的外界环境影响是波浪，并且在海上分布最广，出现概率最高，明显对测深产生影响。波浪的作用使船只产生纵摇、横摇、首位摇以及升沉等船姿运动，从而对海洋测深产生影响，因此必须通过对测深船的纵摇、横摇、首位摇以及升沉等船姿情况进行分析，减弱和消除波浪的影响。,1.波浪对船只影响的理论估计计算船只摇摆理论通常有4种：窄船理论、平板船理论、细长船理论和切片理论。工程应用中广泛采用假定船宽、吃水和波长等远小于船长的切片理论，该理论计算简单方便。其描述船在波浪中远动的微分方程主要取决于船型、主要尺度、振荡频率、船速、波长以及船与波的遭遇角等因素。,2.船只横摇产生的测深误差测深仪的换能器应垂直向下发射探测声波获得深度。然而，船的纵摇、横摇却在一定程度上破坏了这一垂直测深结构，产生了附加的测深误差。,3.船只纵摇产生的测深误差测船纵摇产生的测深误差比较复杂。纵摇不产生偏离测深线的水平位移，但使水深点在测线上前后摆动，如果不进行改正，即使真实海底光滑为一平面，但记录的图像可能不是一个平面。不过在浅水区，假定d20m，=1.5，则10时引入的附加误差可以不予顾及。,若海底呈线性倾斜变化，则不难根据纵摇角及换能器半波束角推导出有关深度改正公式。然而，海底地形变化复杂时，即使实时测定纵摇角，也很难给出有关公式进行深度改正。,以上为船只横、纵摇单独作用的分析，若横、纵摇同时作用，情形更加复杂，引入的测深附加误差无法用公式进行改正。不过由于测船横、纵摇的周期性，其对测深值的影响，部分地叠加反映在测船升沉效应中。因此，可通过对测船升沉效应的处理来间接消除测船横、纵摇的影响。事实上，从记录的水深图像曲线，很难区分二者的影响。另外，由于船的首尾摇不改变测深的垂直结构，因此，可以不引入附加测深误差。,4.船只升沉产生的测深误差由于换能器捆绑于水下，测船的升沉对于测深值有直接的影响。失真的程度与测船的升沉振幅、周期以及船速有关。在浅海、港口、航道等进行海底地形测量，往往需要较高精度的海底地形变化，必须采取措施进行补偿和改正。,消除测船升沉影响的方法很多，通常采用监测改正法、补偿消除法、记录曲线平滑法和水深数字滤波法等，选择合适的方法可以获得较好的效果。从对升沉效应有关改正方法和分析可知，监测改正法及补偿消除法从硬件方面可以有效地消除和减弱升沉效应；记录曲线平滑法和计算机水深数字滤波法从数据后处理方面消除和减弱升沉效应。,从以上分析可知，波浪对测深的影响在浅水区主要表现为升沉方面，而在深水区主要表现为横摇和纵摇方面。因此，为了提高测深精度，在小船上应首要安装升沉传感器，在大船上应首要安装纵横摇传感器。同时，对于未安装船姿传感器的测量船来说，必须使测船的横、纵摇角限制在一定范围内。,4.5.2船速对测深的影响,在海道测量工作中，船速是一个重要的因素，直接影响到测量成果的精度和效率。而过低的船速将降低测量的效率，而过高的船速将导致精度及可靠性的降低并引起定位及测深在某些方面的困难。,船速对测深的影响包括直接效应和间接效应。所谓间接效应是指船速作为参数伴随其他效应对测深的影响。例如，动态吃水改正、定位于测深的延时效应、波浪对测深的影响等方面均存在着船速影响的间接效应。,1.船速对定位间隔的影响海道测量规范（1990年）规定水深点的定位中误差应小于图上的1.5mm。在海道测量工作中，根据不同的比例尺，可选用多种方法定位，包括光学仪器交会法定位、全站仪极坐标定位、无线电定位系统圆曲线定位和双曲线定位、卫星定位以及水下声学定位等。,目前，最常用的是全站仪极坐标定位和差分GPS定位。海道测量规范规定，在平坦海区，定位点图上间隔为4cm，在复杂海区为3cm。若设1/k为测图比例尺，为定位点图上间隔，则定位点间隔实地距离d为,随着海底地形测量的发展，获得高密度的定位点是必需的。引入测船航速，则可得定位点时间间隔为：由于定位系统的定位时间间隔受到仪器硬件本身的限制，因此通常情况下是通过已知定位系统的定位时间间隔点以及测图的间隔来选择合理的航速的。,如果定位系统连续定位能力越高，则越小，此时航速可相应提高。但如果随意提高船速追求效率，则会造成定位点间隔加大，甚至导致根本不能定位。而对于DGPS定位系统来说，具有快速的连续定位能力，通常，因此船速问题对于定位点间隔的影响可以不加考虑。,但对于全站仪极坐标定位来说，有三个因素制约着它的连续定位能力：数据更新率、追踪目标速率和船速。目前，全站仪的数据更新率约为0.25s1s，因此，全站仪的连续定位能力主要取决于跟踪目标速率和船速。因此，在测船定位方面，由于DGPS定位系统具有快速连续定位能力，船速的选择几乎没有限制。但对全站仪极坐标定位来说，应考虑选择合适的船速。,2.船速对换能器测深的影响由于水下声波的传播速度约为1500m/s，而船速通常小于20节，因此，在一个测深脉冲中，由于测船的移动而造成的测深误差一般小于记录水深值的0.002%，可以忽略不计。而船速与换能器测深速率的关系相对比较复杂。通常，测深速率依赖于测量水深，并且不同的测深仪有不同的测深速率。,通常重复脉冲频率在测深仪生产时，已经由厂家预先设定。水深越大，重复脉冲频率越低，此外，探测脉冲反射特性、覆盖范围及漏测问题与海底的形状及底质有关，通常海底粗糙、底质坚硬，其反射覆盖范围要大一些，出现漏测的可能性要小一些。,3.船速的合理选择船速对测深的影响是多方面的，有直接效应和间接效应。因此，合理船速的选择不是一个简单的问题，也不可能根据一个公式来计算合适的船速，必须进行多方面的考虑和评估来决定将采用的船速，建议采用以下的选择方法：,（1）按照定位系统的连续定位能力及定位点图上间隔决定可采用的最大船速。（2）按照测深系统的测深速率及海区水深来决定可采用的最大船速。（3）选择上述较小船速值，并对动态吃水改正及波浪等影响进行估算，若超出有关精度指标，则应进一步降低船速。,4.6潮汐对水深测量影响分析,4.6.1潮汐改正在海底地形测量期间，还需根据测区范围及测区的潮汐特点等因素设立验潮站，并在测深的同时进行潮汐观测，其目的是对测深值进行潮汐改正，以获得对应某一深度基准面的水深值。,水位改正中各种观测值与深度基准面之间的关系,4.6.2潮汐改正方法,当测区在某一水位站的控制范围内时，可根据该站的水位资料进行直接改正。为求得瞬时的水位改正数，可根据水位观测资料，先绘出水位过程线，然后根据测深时间，求出对应的水位改正数。,为了进行水位改正，解决两个数据时间不匹配的问题，必须进行潮汐观测值内插。通常采用的方法有：（1）线性内插法（2）回归内插法（3）时差法内插法（4）分带内插法,1.线性内插法假设潮汐在时间间隔范围内是按线性变化，那么对于某一时刻t的潮汐之可利用简单的线性内插获得。,2.回归内插法回归内插法水位改正的原理是指在时间间隔内潮汐的变化遵循于一条规则曲线，该曲线可用多项式或样条函数来表达。即,3.时差内插法假设用于海洋测量作业的两个验潮站之间的潮时和潮高的变化与其距离成正比。显然，这种假设是完全符合海道测量规范的，对于时差内插法水位改正是必须的。,在上述假设下，首先运用数字信号处理技术中相关函数的变化特征，求得两个验潮站之间的潮位差，从而求解待定点相对验潮站的时差；通过时间归化，进而求解待定点的水位改正问题。时差内插法水位改正符合海道测量规范规定的驻潮站布设原则，理论上是严密的，且其原理简单，易于掌握。时差内插法同归化法比较，克服了回归法数学模型存在的弊端。时差法水位改正的数字模型适用于编程计算，可为水深测量自动化的脱机处理提供改正软件。,4.分带内插改正法,分带改正法中有在两站间潮波传播均匀时才能采用，即两站间的潮时和潮高的变化与其距离成正比，这样，中间站的瞬时水面高度，可根据两水位站的水位观测资料，按距离内插求得。,两站间潮时的变化与距离成比例，是指两站间的同潮波点潮时是均匀变化的。,两站间潮时的变化与距离成比例,两站间潮高变化与距离成比例，是指两站间的同相潮波点的高度是均匀变化的。,两站间潮高变化与距离成比例,带数的计算就是要求出每一条水位曲线适用的范围，也就是每带的控制范围。,因此，两站间需分多少带，完全取决于从深度基准面起算的瞬时水面的最大差值，取,实际作业时，是从水位观测站的同步观测资料或测深时水位观测资料中选出5个7个较大的值，然后