武汉大学海洋测绘复习要点

1、第1章 海洋与海洋测绘1、 海洋：海洋是地球表面保卫大陆喝岛屿的广大连续的含盐水域，是由作为海洋主体的海水水体、溶解和悬浮其中的物质、生活于其中的海洋生物、临近海面上空的大气、围绕海洋周缘的海岸和海底等部分组成的统一体。2、 洋是远离大陆、深邃而浩瀚的水域部分。海，一般人们把大洋四周的边缘部分称作海，海濒临大陆，面积比大洋小得多。海分为陆间海、地中海、边缘海。3、 海岸:是陆地与海洋相互作用、相互交界的地带。4、 海岸带：海陆交互的地带，其外界应在1520米等深浅一带，这里既是波浪、潮流对海底作用有明显影响的范围，也是人们活动频繁的区域。5、 海岸线：近似于平均大潮、高潮的痕迹所形成的水陆分界

2、线。6、 海洋地形通常分为海岸带、大陆边缘和大洋底三个部分。7、 大陆边缘是大陆与大洋连接的边缘地带也是是大陆与大洋之间的过渡带，通常由大陆架、大陆坡、大陆隆及海沟等组成。8、 大陆架：大陆周围被海水淹没的浅水地带，是大陆向海洋底的自然延伸。9、 大陆坡：陆架外缘陡倾的全球性巨大斜坡，其下限为坡度突然变小的地方。10、 大陆隆：从大陆坡下界向大洋底缓慢倾斜的地带。 11、 海沟：大陆边缘底部狭长的海底陷落带。12、 大洋底是大陆边缘之间的大洋全部部分，由大洋中脊和大洋盆地构成。13、 海洋中储存了丰富的海洋能、矿物资源和生物资源。海洋的存在对人类的生存产生着巨大的影响，尤其是随着世界人口不断的

3、增长，陆上资源日渐枯竭，因此人类必须到大陆以外寻求新的资源来源。14、 内海：内海亦称内水，值领海基线以内的水域。领海：为沿海国的主权及于其陆地领土及其内水以外邻接的一带海域，在群岛过情形下则及于群岛水域以外邻接的一带海域，称为“领海”，即沿海国主权之下的，与其陆地或内水相邻接的一定宽度的水域。（不超过12n mile）。毗连区：为一种毗连国家领海并在领海外一定宽度的、供沿海国行使关于海关、财政、卫生和移民等方面管制权的一个特定区域。（毗连区的宽度从领海基线量起不超过24n mile）。大陆专属经济区：为领海以外并邻接领海，介于领海与公海之间，具有特定法律制度的国家管辖水域。专属经济区的宽度从

4、领海基线量起，不应超过200n mile。公海：指沿海国内水、领海、专属经济区和群岛国的群岛水域以外不受任何国家主权管辖和支配的全部海域。国际海底区域：国家管辖海域以外的海底、洋底及其底土。15、海洋测绘是海洋测量和海图绘制的总称，其任务是对海洋及其邻近陆地和江河湖泊进行测量和调查，获取海洋基础地理信息，编制各种海图和航海资料，为航海、国防建设、海洋开发和海洋研究服务。海洋测绘的主要内容有：海洋大地测量、水深测量；海洋工程测量；海底地形测量；障碍物探测；水文要素调查；海洋重、磁力测量；海洋专题测量和海区资料调查；各种海图、海图集、海洋资料的编制和出版；海洋地理信息的分析、处理及应用。 海洋测绘

5、特点：垂直坐标和平面位置同步测定；海底控制点的距离相隔较远；动态测量；采用低频电磁波信号；测深并进行测深改正；无法进行重复观测，须同步观测。海洋测绘任务：（1）科学性任务：为研究地球形状，海底地质构造运动和海洋环境保护等提供必要资料的测量工作。（2）实用性任务：对各种不同的海洋工程开发提供所需要的海洋测绘服务的工作。第二章 海洋大地控制网1、海洋大地测量控制网：是陆上大地网向海域的扩展。海洋大地测量控制网主要由海底控制点、海面控制点（如固定浮标）以及海岸或岛屿上的大地控制点相连而组成 。2、海面控制网：主要包括以固定浮标为控制点的控制网、海岸控制网、岛屿控制网以及岛屿陆地控制网。3、海底控制点

6、的结构，通常由固设于海底的中心标石和水声照准标志两部份组成。水声照准标志分主动式和被动式两种。 4、主动式水声照准标志，实际上是一种水声声标。它能主动发射出强度足以保证测量船上的水声设备能在其有效作用距离内接收到该信号；或者当接收到船台发射出的询问声信号后，能转发应答声信号被船台接收。具有这样两种功能的水声声标，我们称为主动式水声照准标志。 5、水声声标的有效距离，即声信号的最大传播距离。这里的有效距离，指的是有效水平距离。6、海底控制点的几何图形：当利用坐标已知的海底控制点来确定测量船位时，须满足二个条件 : 测量船必须位于作为海底控制点的水声声标的 有效范围之内 ; 至少需要三个这样的控制

7、点，否则无法实施定位。因此，就要求海底控制点应以规则的几何图形布设 。一般有正方形和等边三角形。7、海底控制点（网）坐标的测定一般分两步进行：第一步是海底控制点的定标；第二步是海底控制点坐标的测定。海底控制点的定标：当水声声标按照布网设计方案投放到海底后，要对控制点的深度，相互间距离以及方位进行测定，这项工作称为海底控制点的定标。海底控制点坐标的测定：单个海底控制点坐标的测定：两点交会法；最近路径点测定法；三点空间交会法；距离差法；利用GPS实现海底控制点坐标的联测。第三章 海洋水文要素观测1、 海洋水文要素内容：海水温度、海水盐度、海水密度、海水透明度、水色、潮汐、潮流、海流、气象、海洋波动

8、等。原因：发生在海洋中的许多自然现象和过程往往与海水的物理性质密切相关。人类要认识和开发海洋，首先必须对海洋进行全面深入地观测和调查，掌握其物理性质。在海洋调查中，观测海洋水文气象方面的环境参数更有其重要的意义。 2、 海洋潮汐 ：海水受到月球和太阳的吸引力作用，产生一种规律性的升降运动，这种海面升降现象叫做海洋潮汐。产生潮汐现象的主要原因：地球上各点距离月球和太阳的相对位置不同。3、 潮高：从某一基准面量至海面的高度。4、 高潮：在海面升降的每一个周期中，海面上涨到不能再升高时的潮汐。5、 潮差：两个相邻的高潮和低潮的水位高度差。6、 涨潮 ：海面从低潮上升到高潮的过程中，海面逐渐上升的现象

9、。7、 平潮：当海面达到高潮时，在一段时间内海面暂时停止上升的现象。8、 停潮：当海面达到低潮时候，在一段时间内海面暂时停止下降的现象。9、 日不等现象：通过长时间的水位观测，可以从其记录曲线上看出，每日的潮差是不等的，这种现象成为潮汐日不等现象。 10、 大（小）潮 ：潮差最大（小）这一天的潮汐 。11、 日潮不等：一日内两次高潮或低潮潮高不等现象 。12、 分点潮 ：当月球在赤道附近，则两高潮（低潮）的潮高约相等，此时的潮汐称为分点潮。 13、 回归潮 ：当月球在最北或最南附近时，所产生的日潮不等为最大，此时潮汐叫回归潮。 14、 风暴潮：指由于强烈的大气扰动，加强风和气压骤变所招致的海面

10、异常升高现象。15、 验潮：潮汐观测通常称为水位观测，又称验潮。目的：了解当地的潮汐性质，应用所获得的潮汐观测资料，来计算该地区的潮汐调和常数、平均海面、深度、基准面、潮汐预报以及提供测量不同时刻的水位改正数等，供给有关军事、交通、水产、盐业、测绘等部门使用。 16、 水尺验潮：一种类似于用水准尺测量水位的一种验潮方式。特点：工作简单、机动性较强、技术含量低、造价低等特点；常用于临时验潮；观测精度受涌浪、观测误差等多种因素的影响，一般约为10-15cm。17、 井式自记验潮仪：通过在水面上随井内水面起伏的浮筒带动上面的记录滚筒转动，使得记录针在装有记录纸的记录滚筒上画线，来记录水面的变化情况，

11、达到自动记录潮位的目的。特点：是坚固耐用，滤波性能良好缺点是连通导管容易阻塞，成本高，机动性差。18、 超声波潮汐计：通过固定在水位计顶端的声学换能器向下发射声信号，信号遇到声管的校准孔和水面分别产生回波，同时记录发射接收的时间差，进而求得水面高度。特点：是使用方便，工作量小，滤波性能良好，适用测量。需要进行温度补偿。19、 压力式验潮仪：通过测量水下或与海水相联系的水面以上某一界面上由于海面变化引起的压力变化来测量水位 。特点：安装方便，精度高，携带方便，从观测数据到数据处理可以自动化计算机处理，高效率，滤波性能良好，还可以做近距离遥控。 20、 船载（浮球）GPS验潮原理：基本原理：均采用

12、载波相位差分技术作为定位基础，利用大地高反算潮位。为了消除上述验潮方法中存在的波浪对潮位观测数据的影响，常用波浪滤除方法姿态补偿和门限滤波。 数据处理及分析如下：动态基线解算精度分析。计算纵摇和横摇角p、r。根据架设时GPS-2天线相位中心到船体吃水面的距离hka、p和r，计算船体姿态对水位测量的影响量hka。计算瞬时海面高程Ts。将瞬时海面高程与水文站的潮位观测数据进行比较 对瞬时海面高程进行门限滤波，将得到的结果再与水文站的潮位观测数据比较，是否在限差内。第四章 海洋声速与声线跟踪1、为什么采用声波：在各种水下辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳。海洋传递声音的性能比大气好得多，且在海洋

13、中声波的衰减远小于无线电波的衰减。2、声呐：声纳是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统。按照工作方式分为主动声纳和被动声纳两种。3、海洋声学：是研究声波在海洋中传播特性、规律和利用声波探测海洋的学科，是海洋学和声学的边缘学科，也是物理海洋学的分支。基本内容包括三个方面：（1）声在海水中传播的规律和海洋环境条件对声传播的影响。主要包括不同水文和底质条件下声波的传播规律，海水对声的吸收，声波的起伏、散射和海洋噪声等。（2）利用声波探测海洋。（3） 海洋声学技术和仪器。4、海洋声速（P77）：海水中的声速随着温度、盐度和压力的增加而增加，是压力P（bar）或深度Z（米）的线性函数，是

14、温度T（）、盐度S的非线性函数。海水中的声速可以用声速剖面来描述。声速剖面亦称“声速垂直分布”，反映的是声速沿深度的变化规律。 声速随深度的相对变化率，即单位深度内声速的相对变化量，称之为声速梯度，单位为1/秒。 盐度梯度Cs可以忽略不计，压力梯度为常数Cp=0.1bar/m。海水温度变化1，海水声速变化约为原来的0.35(约5m/s)；盐度每增加l，声速约增加1.14 ms；深度每增加100米，声速约增加1.75 ms。其中以水温变化对声速的影响为最大。海洋中声速在垂直方向的变化可分为三个水层，即表层、中间层、深水层。表层和深水层温度分布比较均匀，由于压力的影响，声速随深度增加；中间层的声速

15、由于温度迅速降低而减小。声速在海水中的这种阶跃现象称之为声跃层。5、声速剖面：亦称“声速垂直分布”，反映的是声速沿深度的变化规律。6、声波在海水中传播特性：声波在海水中传播时，会在介质常数不同的两个水层界面处产生反射、折射和某种程度的反向散射。其中折射现象起因于海水是非均匀介质，这也是导致波束声线弯曲和传播速度发生改变的根本原因。折射后的声线是向声速减小的方向弯曲。波束在海水中的折射特性，可通过Snell法则很好的反映。Snell 法则不但解释了波束在水中的传播特性，还给出了求解声线路径的算法。 7、声线的弯曲程度和方向与声速在垂直方向的变化相互联系，声速变化越大，弯曲越显著。此外，声波的传播

16、速度在温水区要比冷水区快，且向冷水区（即声速较低的水区）弯曲。因此，若温度随深度增加，声线向海面弯曲，反之则向海底弯曲。正常情况下，声线弯曲成圆弧状。8、海面反射：声波由海水射向海面时，在海水与空气界面上所产生 的反射，称为海面反射。9、海底反射：声波由海水射向海底时，在海水与海底的界面上所产生的反射，称为海底反射。 10、海水中声波强度减弱的主要因素：（1）几何衰减：由于海水温度、盐度、压力等分布不均匀，因此有声速梯度存在，再加上海面、海底的影响，引起声线弯曲。（2）散射衰减：声波在海水中传播时，由于海面、海底的不平整性、海水介质温度不均匀而产生散射，使部分声能离开原来的前进方向，向其它方向

17、发射出去，使声波传播方向上能量减少，声强度减弱。（3）海水对声波的吸收：由于声波在海水介质中传播时要引起海水内部发生一些变化，如海水温度的变化，在传播过程中，相邻的海水介质要发生相对运动，有一部分声能要用来克服因海水介质相对运动而产生的摩擦力，消耗于海水中，使声强度减弱。11、声道：当声波在海洋中传播时，若有一部分声能在海中某一水层内而不逸出该水层，则称此为声道，亦称声波道。 12、声线：入射角不为0时，波束在界面处发生折射，若经历的水柱中有N+1个不同介质层，则产生N次折射，波束的实际传播路径为一个连续折线，即声线。13、海洋声速的确定：海洋中的声速可以通过直接法和间接法获得。凡通过测量声速

18、在某一固定距离上传播的时间或相位 (一般采用声速测量仪测量声速），从而直接计算海水声速的方法均属直接声速测量（脉冲时间法、干涉法、相位法、脉冲循环法）。根据测得的温、盐度和压力数据，用特定的计算公式确定水声速的方法称为间接声速测量。14、测量声速时需考虑因素：测区的水文要素；声速在海水中的传播特性 ；特殊水域，由于某种原因，声速剖面变化复杂，需做小间距测量 ；表层和底部的声速测量非常重要 。经验公式：目前，已有较多描述温度、盐度和深度（或静压力）与海水中声速间关系的经验公式。1.Dell Grosso公式。利用该公式进行声速计算，具有简洁方便等特点，但应用范围太小。2. W. D. Wilso

19、n精确公式。实践表明，温度、压力和盐度分别在-4°C<T<30°C, 1kg/cm2<P<1000kg/cm2 和0 ppt< S <37 ppt范围时，可获得精度优于0.3m/s的声速，比较适合我国海区。3. W. D. Wilson简化公式。4.Leroy（1969）给出的经验公式5.Mackenzie根据前人研究，于1981提出了特定条件下的声速公式（E式）6.Chen-Millero-Li经验公式。适用范围：温度T（°C）：0°C<T<40°C、压力P（bars）：0<P<10

20、00、盐度S（ppt）：0<S< 40。 7. EM分层简化公式。15、声线跟踪：是建立在声速剖面基础上的一种波束脚印（投射点）相对船体坐标系坐标的计算方法。声线跟踪通常采用层追加方法，即将声速剖面内相临两个声速采样点划分为一个层，层内声速变化可假设为常值（零梯度）或常梯度。在常梯度的声线跟踪计算过程中，声速变化函数采用Harmonic平均声速。 16、Harmonic平均声速定义为：假设波束经历的水柱z0，z有N层，则可利用层厚度（zi+1- zi）和声速函数Ci（Z）获得整个水柱中的Harmonic平均声速。（首先通过声速函数采用积分方法求解波束经过水柱的时间t，然后计算平均声

21、速Ch=z-z0/t）。17、基于层内常声速（g=0）下的声线跟踪：假设波束经历由N层组成的水柱，声速在层内常速传播，设层厚度为zi（zi= zi+1-zi），则波束在层i内的水平位移yi和传播时间ti分别为： 波束在整个水柱的时间t和水平距离y为：18、基于层内常梯度的声线跟踪：假设波束经历由N个不同介质层组成的水柱，声速在各层中以常梯度gi变化，设层i上、下界面处的深度分别为zi和zi+1，层厚度为Dzi；波束在层内的实际传播轨迹应为一连续的、带有一定曲率半径Ri的弧段。 波束在该层经历的弧段长度则经历该段的时间ti为：19、等效声速剖面法：由于常梯度声速剖面与实际声速剖面具有相同的积分面

22、积，利用常梯度声速剖面计算的结果同实际声速剖面相同，因此，常梯度声速剖面被称为等效声速剖面，利用等效声速剖面确定波束脚印位置的方法。20、各种声线改正方法的比较：（1）常梯度声线跟踪法的计算精度最高，但计算过程烦；（2）等效声速断面法的计算精度仅次于常梯度声线跟踪法，但参考深度的要求相对苛刻；（3）误差修正法的计算精度相对前两者稍差，但也能满足IHO的测深精度要求，且计算过程简单；（4）精度最差的当属常声速声线跟踪法，其计算过程也比较复杂。（5）三角法：未考虑声速在水中的传播特性（认为声线在整个水柱中直线传播），声速断面变化复杂时，深度相对误差急剧增大。这也体现了声线取决于声速和声速对波束脚印

23、位置计算的重要性。第5章 潮汐调和分析及海洋垂直基准面1、 引潮力是地球上任何一点所受的天体引力减去该天体对地球中心的引力。2、 分潮：因而可以将实际潮汐分成许多有规律的分振动，这些分离出来的具有一定周期、一定振幅的分振动就叫分潮。3、 潮汐分析亦称潮汐调和分析：把任一海港的潮位变化看作是许多分潮余弦振动之和，根据最小二乘或波谱分析原理由实测数据计算出各分潮平均振幅和迟角的过程，即潮汐调和分析过程。经典的潮汐调和分析有:Darwin分析法、Doodson分析法；现代潮汐调和分析多采用最小二乘分析法、傅立叶分析法和波谱分析法等。原理思想：任何一种周期性的运动，都可以由许多简谐振动组成。潮汐变化是

24、一种非常近似的周期性运动，因而也可以分解为许多固定频率的分潮波，进而求得分潮波的振幅和相位。4、 高程基准就是陆地高程的起算面，它通常取为某一特定验潮站长期观测水位的平均值一长期平均海面，即定义该面的高程为零，因此具有参考面的意义。水深基准：海洋测量中常采用深度基准面。深度基准面是海洋测量中的深度起算面。不同的国家地区及不同的用途采用不同的深度基准面。5、 平均海平面MSL亦称海平面。某一海域一定时期内海水面的平均位置。是大地测量中的高程起算面，由相应期间逐时潮位观测资料获得，高度一般由当地验潮站零点起算。日、月、年和多年平均海平面。可以通过验潮站观测和潮汐调和分析得到。6、 国家高程基准 ：

25、目前，世界各国或地区均以一个或几个验潮站的长期平均海面定义高程基准。我国采用的1954年黄海平均海面基准和1985黄海高程系。7、 深度基准面：海图所载水深的起算面，又称海图基准面。世界各沿海国家根据海区潮汐性质的不同采用不同的计算模型。我国航海图采用的深度基准面理论最低潮面。理论深度基准面是相对于平均海平面定义的。8、 短期验潮站平均海面的确定：（1）水准联测法：若长期验潮站和短期验潮站的水准点均连接在国家水准网中，或两站水准点间可直接进行水准观测（2）同步改正法：基本原理是在同一短时间内，两验潮站短期平均海面与长期平均海面的差距(称为短期平均海面距平)一致（3）线性关系最小二乘拟合法。9、

26、 深度基准面传递与推估 ：海图深度基准面传递的主要方法是潮差比法，因为深度基准面数值等效于最大半潮差，可以假定两站的短期潮差比与两站的理想最大潮差比相等。10、 平均海面和深度基准面的综合传递 ：平均海面与深度基准面综合传递法可采用两类数据，即两站的逐时水位观测序列和对应的日平均海面、高、低潮序列。前者称为曲线比较法。曲线比较法是假设长期验潮站利短期验潮站的水位序列分别可表示为C(i)、D(i)。11、 其中：x表示两站的潮差比，y为两站间潮波传播延迟系数，即潮时差，z为基准面偏差。计算见例子。第6章 GPS定位与海底声学定位1、 海洋定位手段：天文定位；光学定位；陆基无线电定位；空基无线电定

27、位（GPS）；水声定位。2、 水声设备：换能器：是一种声电转换器，能根据需要使声振荡和电振荡相互转换。水听器：本身不发射声信号，只是接收声信号。应答器：既能接收声信号，而且还能发射不同于所接收声信号频率的应答信号，是水声定位系统的主要水下设备，它也能作为海底控制点的照准标志（即水声声标）。3、 长基线声学定位系统 ：长基线系统包含两部分，一部分是安装在船只上或水下机器人上的收发器(transducer)；另一个部分是一系列已知位置的固定在海底上的应答器，这些应答器之间的距离构成基线。长基线声学定位系统是通过测量收发器和应答器之间的距离，采用测量中的前方交会或后方交会，对目标实施定位，所以系统与

28、深度无关。实际工作时，它既可利用一个应答器进行定位，也可同时利用二个，三个或更多的应答器来进行测距定位。P142。优点：独立于水深；由于存在较多的多余观测值，因为可以得到非常高的相对定位精度；换能器非常小，易于安装和拆卸。缺点：系统过于复杂，操作繁琐，设备昂贵。4、 短基线系统 ：该系统的水下部份仅需要一个水声应答器，而船上部分是安置于船底部的一个水听器基阵。换能器之间的距离一般超过10m，换能器之间的相互关系精确测定，并组成声基阵坐标系。系统的工作方式是距离测量。测量方式是由一个换能器发射，所有换能器接收，得到一个斜距观测值和不同于这个观测值的多个斜距值。基阵坐标系与船坐标系的相互关系由常规测量方法确定。系统根据基阵相对船坐标系的固定关系，结合外部传感器观测值，如GPS、动态传感器单元MRU、罗经Gyro提供的船位、姿态和船艏向值，计算得到海底点的大地坐标。短基线的优点：是集成系统价格低廉、系统操作简单、换能器体积小，易于安装。短基线的缺点：是深水测量要