注册测绘师讲义综合 第二章第2节 海洋测量

1、第2节 海洋测量知识点1、技术设计 为了保证海洋测量工作顺利开展，在测量实施前必须深入调查、收集资料，进行技术设计。技术设计的主要内容(1)确定测量目的和测区范围；(2)划分图幅及确定测量比例尺；(3)确定测量技术方法和主要仪器设备；(4)明确测量工作的重要技术保证措施；(5)编写技术设计书和绘制有关附图. 知识点2、控制测量海洋测量中的控制测量分为平面控制测量和高程控制测量。 1平面控制测量 建立平面控制网的传统方法是三角测量和精密导线测量。随着技术进步，传统的三角测量技术逐步被gps控制测量技术替代。平面控制测量 技术设计工作一般分为资料收集和分析、初步设计、实地勘察、技术设计书编制等四个

2、阶段。按照海道测量规范（gb 12327-1998）中关于平面控制精度的规定，海洋测量控制点分为海控一级点（以hi表示）和海控二级点（以h2表示）以及测图点（以hc，表示）。海控点的分布应以满足水深测量和海岸地形测量为原则。海洋测量平面控制基本要求和投影分带规定见表2-2-1海控一、二级点布设的方法主要采用gps测量、导线测量和三角测量，测图点可采用gps快速测量法，以及导线、支导线和交会法测定。其图形布设要依据地形条件和仪器装备情况而定。 海控点和测图点的基本精度指标见表2-2-2。 用于平面控制的主要控制点应采用常规大地测量的方法测定，其相对准确度为1/100 000。采用卫星定位方法测定

3、控制点时，在置信度为95%时，定位误差不超过10 cm。而不能用于发展平面控制的次级控制点，采用常规大地测量的方法测定时其相对准确度不得大于1/10 000，采用卫星定位方法测定时不得大于50 cm。高程控制测量的方法主要有几何水准测量、测距高程导线测量、三角高程测量、gps高程测量等。在有一定密度的水准高程点控制下，三角高程测量和gps高程测量是测定控制点高程的基本方法。电磁波测距三角高程测量可代替四等水准测量和等外水准，但三角高程网各边的垂直角应进行对向观测。 用于三角高程起算的海控点、测图点、验潮水尺零点、工作水准点及主要水准点，均应用水准联测的方法确定其高程。用水准联测高程时，必须起测

4、于国家等级水准点，根据所需的高程精度和测线长度决定施测等级。进行等级水准测量时，应按相应的国家水准测量规范执行。验潮站水准点与验潮站水尺间的联测，按等外水准测量要求施测。 利用gps手段进行高程测量时，应对测区的高程异常进行分析。一般在地貌比较平坦的区域，已知水准点距离不超过15 km点数不少于4个；困难地区，水准点分布合理情况下不少于3个，解算出的未知点高程在满足规范要求时可作为相应等级的水准高程（外推点除外）使用。 知识点3、深度基准面的确定与传递1深度基准面确定目前世界上常用的基准面为深度基准面、平均海面和海洋大地水准面。 20世纪50年代初期，我国采用略最低低潮面作为深度基准面。195

5、6年后，我国采用理论最低潮面作为海图深度基准面。 2深度基准面计算与传递 在海洋测量中，验潮站的水位应归算到深度基准面（即理论最低潮面）上。长期验潮站深度基准面可沿用已有的深度基准，由陆地高程控制点进行水准联测，也可以利用连续1年以上水位观测资料通过调和分析取13个主要分潮采用弗拉基米尔法计算。 短期验潮站和临时验潮站深度基准面的确定可采用几何水准测量法、潮差比法、最小二乘曲线拟合法、四个主分潮与l比值法， 知识点4、海洋测量定位海洋定位通常是指利用两条以上的位置线，通过图上交会或解析计算的方法求得海上某点位置的理论与方法。海上位置线一般可分为方位位置线、角度位置线、距离位置线和距离差位置线四

6、种。通常可以利用两条以上相同或不同的位置线定出点位。目前海洋定位的方法主要有以下四种：光学定位，无线电定位、卫星定位、水声定位。1.光学定位 光学定位的方法主要有前方交会法、后方交会法、侧方交会法和极坐标法等。2 无线电定位 3卫星定位 卫星定位是目前海上定位的主要手段。目前广泛使用的仍然是gps卫星定位，其基本观测量又可分为码相位观测量和载波相位观测量。差分卫星定位是通过建立基准站，观测计算并发送卫星定位改正数，用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得更为精确的定位结果。根据差分gps基准站发送的信息方式的不同可分为4类，即位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分、相位差分。 4水声定位 通过声

7、波的传播路径推求目标的坐标（位置），就是水下目标的声学定位。用于水下目标定位的声学系统即水声定位系统，通常由船台设备和若干水下设备组成。船台设备包括一套具有发射、接收和测距功能的控制、显示设备，以及安装在船底或船后“拖鱼”内的换能器及水听器阵。水下设备主要是声学应答器基阵，即固定设置在海底的位置已准确测定的一组应答器阵列。 知识点5、水位观测1海洋潮汐观测 在海洋测绘中，根据作用不同，验潮站分为长期验潮站、短期验潮站、临时验潮站和海上定点验潮站。长期验潮站是测区水位控制的基础，主要用于计算平均海面，一般应有2年以上连续观测的水位资料； 短期验潮站用于补充长期验潮站的不足，与长期验潮站共同推算确

8、定测区的深度基准面，一般应有30天以上连续观测的水位资料；临时验潮站在水深测量时设置，至少应与长期站和短期站在大潮期间同步观测水位3天，主要用于深度测量时进行水位改正； 海上定点验潮站，至少应在大潮期间与相关长期站或短期站同步观测一次或三次24小时或连续观测15天水位资料，用于推算平均海面、深度基准面以及预报瞬时水位，进行深度测量时的水位改正。 海上定点验潮站，至少应在大潮期间与相关长期站或短期站同步观测一次或三次24小时或连续观测15天水位资料，用于推算平均海面、深度基准面以及预报瞬时水位，进行深度测量时的水位改正。 水位观测可采用水尺、井式自记验潮仪、声学或压力式传感器等专用设备实施。另外

9、，利用卫星遥感、差分gps也可以进行水位观测，国内外许多实验已经取得很好的效果，这为运海潮汐观测提供了新的手段。2声速观测海洋中声波的传播速度和海水介质的盐度、温度、压力有关特别是当海水温度跃层存在时，由于折射，声线方向的变化尤为显著。同时温度跃层也造成声波反射，穿透跃层的能量大大减少。温度跃层的存在，导致侧扫声呐和多波束探测成果失真，严重影响测量成果的质量。 因此在侧扫声呐和多波束测量前，必须要对测区海水温度跃层进行调查。海洋声速测量海水声速是水温、盐度和压力的函数。3海流观测 1潮流现象通常把由外海经内海向港湾流动的潮流称为涨潮流；由港湾流向外海的潮流称为落潮流。潮流在涨潮流与落潮流的转变

10、时，流速较小，如流速为零称为转流。潮流以流向的变化可分为往复式和回转式两种。 凡通过测量声速在某一固定距离上传播的时间或相位，从而直接计算海水声速的方法均为直接声速测量。具体的声速测量仪所依据的原理有脉冲时间法、干涉法、相位法和脉冲循环法等。潮流以流向的变化可分为往复式和回转式两种。 1)往复式潮流2)回转式潮流2潮流观测验流点一般选择在锚地、港口和航道人口及转弯处、水道或因地形条件影响流向流速改变的地段，观测内容包括流速和流向。为更好地分离潮流，应在风浪较小的情况下进行海流观测，验流期间应对潮汐和气象情况进行同步观测。潮流观测实施前，应详细了解测区潮流性质，确定潮流观测时间长度，半日潮港验流

11、一般应持续13小时以上，日潮港验流一般应持续25小时以上。另外，不同的应用目的对潮流观测方法和手段提出了不同的要求。(1)海道测量规范(gb 12327-1998)规定：半日潮港海区，验流（潮流）时间应选择在农历初一、初二、初三或十六、十七、十八。日潮港海区选择在月赤纬最大的前后回归潮期间进行，也可以从潮汐表中选取最大潮日期进行。 往复流验流必须测出景大涨、落潮流的流速、流向及时间，说明转流时间与高低潮潮时的关系（如高潮后1 h15 min开始转为落潮流）。验流定位的计时精确到秒，流速精确到0.1节，流向精确到0.5°。 (2)海港水文规范(jtj 213-98)规定：当采用准调和分

12、析方法时，海流连续观测次数应 不少于3次，分别选择大、中、小潮日期进行。在一般的潮流分析中，可采用一次或两次海流观测资料，一次海流观测应在大潮日期进行，两次海流观测应分别在大潮、小潮日期进行。 每次海流观测应持续25小时以上。当分析如风海流或波流等其他类型的海流时，应在不同季节和不同气象状况下进行观测；当分析河口区的径流时，应选择在枯水期和洪水期分别进行观测。 知识点6、水深测量深测量的主要技术方法有单波束与多波束回声测深及机载激光测深等。水深测量主要工作流程包括水深数据采集、水深数据处理、水深成果质量检查、水深图输出等。 1 单波束测深单波束测深波束的指向性波束宽度和发射脉冲的宽度分别影响被

13、测目标的方位和深度分辨率。单波束测深仪数字化记录和声图上的水深值，是由换能器底面至海底的深度值。换能器浸没在海水中，由于测深仪设计转速、声速与实际的转速、声速不同，以及换能器的安装等原因，需要对其进行吃水改正、基线改正、转速改正及声速改正等。 目前，对各项改正一般采用综合处理，求取总改正对测量深度的影响，通常采用的改正方法包括校对法和水文资料法。校对法适用于小于20 m的水深。利用校准工具如带有刻度电缆的水听器、带有刻度缆绳的比对板等，置于换能器下面一定深度处，读取校对工具的入水深度，与测深仪的读数相比较，差值为测深仪总改正数z。 水文资料法适用于大于20 m的水深，利用实测数据（包括各水层的

14、温度、盐度、深度）分别利用相应的公式求取各改正数，最后求取测深仪总改正数。 2多波束测深多波束测深是一个复杂的综合性系统，主要由多波束声学系统( mbes)、多波束采集系统(mcs)、数据处理系统和外围辅助传感器等组成。 1多波束参数校正多波束测深系统结构复杂，各种传感器和换能器的安装一般无法达到理论设计的要求，因此需要进行参数校正，通常有导航延迟、横摇、纵摇和艏偏校正。 2.2.5.1)导航延迟校准测试2)横摇校准测试3)纵摇校准测试4)艏偏校准测试 2多波束测量野外工作的实施多波束测深系统海上勘测实施的过程包括测前试验、测前准备、数据采集和数据处理四个部分。 多波束测深系统海上勘测实施的过

15、程包括测前试验、测前准备、数据采集和数据处理四个部分。 3多波束测深数据编辑多波束测深数据编辑计算方法主要有两种，一种是投影法，另一种是曲面拟合法。 1)投影法多波束系统采集的水深数据是三维的，对测线数据进行编辑时，首先必须把水深数据投影到平面中去，然后才能进行编辑工作。投影方法主要有三种：沿测线前进方向投影、正交测线方向投影、垂直正投影。 测线前进方向投影，就是把水深点投影到与测线正交的平面上。正交测线方向投影是以时间为横轴，水深为纵轴，在编辑界面上水深数据是以一个个波束的形式显示的。垂直正投影是把测深数据按经、纬度坐标位置投影到水平面上。在海底地形变化极其复杂的海区，需要在垂直正投影方式下

16、进行进一步的编辑。2)曲面拟合法海底地形一般是连续变化的，而多波束测量是全覆盖的高精度测量，测量的资料能反映海底地形的全貌。根据这一特点，用一定的曲面拟合海底面，超出曲面一定范围的数据点称为跃点，应该剔除掉。曲面拟合常用的计算方法有贝济埃(bezier)方法、b样条方法、最小二乘法拟合等。 3机载激光测深机载激光海洋测深技术是一种近二三十年快速发展起来的海洋测深技术。激光作为一种新型的探测光源，具有单色性高、方向性强、相干性好、强度大等特点。利用绿光或蓝绿光易穿透海水，而红外光不易穿透海水的特点，用光激射器、光接收机、微机控制、采集、显示、存储及辅助设备组成机载激光测深系统。 在飞机平台上安装

17、光激射器向海面发射两种不同波长的激光，一种为波长1 064 mm的脉冲红外光，另一种为波长532 mm的绿光。红外光被海面完全反射和散射，而绿光则能够透射至海水中，经水体散射、海底反射和光接收器分别接收这些反射光，组成探测回波信号波形， 探测并数字化处理回波信号（对每一个测深点，可获得一个激光波形，其上有两个与海面和海底相应的光波脉冲强度顶点，获取两顶点接收到回波脉冲时的时间和时间差），就可以得到机高和水深数据信息。对于不同的机载激光海洋测深系统，所选用的光激射器发射的红外光和蓝绿光的波长也稍有不同。 海水对不同波长的激光吸收也相差很大，其中波长为520535 mm的蓝绿光波段被称为“海洋光学

18、窗口”，海水对此波段的光吸收相对最弱。另外，海表面的波浪、潮汐、水体中悬浮物的类型数量、底质的反射散射特性、入射角和强度、光接收机的时间分辨率、飞机的姿态特征等因素及它们的相互作用直接影响最大测量水深和测深精度。 机载激光系统测深能达50 m，假如海水清澈则可更深。机载激光测深系统对水下障碍物的分辨能力在短时间内不会达到侧扫声呐的水平。目前对于2 m2以上的水下障碍物的探测可信度较高，再小的物体就较难有效的探测。 由机载激光测得的航行障碍物应当用单波束回声测深仪、多波束回声测深仪或高密度机载激光系统进行探测。可以预见，随着科学技术的不断发展，机载激光测量系统一定会在海岸带快速测量中发挥越来越大

19、的作用。 知识点7、测线布设测线是测量仪器及其载体的探测路线，分为计划测线和实际测线。水深测量测线一般布设为直线，又称测深线。测深线分为主测深线和检查线两大类。主测深线是实施测量的主要测量路线，检查线主要是对主测深线的测量成果质量进行检测而布设的测线。 测线布设的主要因素是测线间隔和测线方向。测深线的间隔根据测区的水深、底质、地貌起伏状况，以及测图比例尺、测深仪器覆盖范围而定，以既满足需要又经济为原则。对单波束测深仪而言，主测深线间隔一般采用为图上10 mm，在海上养殖区域主测深线间隔可适当放宽。 多波束测深系统的主测线布设应以海底全覆盖且有足够的重叠带为原则，其检查线应当至少与所有扫描带交叉

20、一次，以检查定位、测深和水深改正的精度，两条平行的测线外侧波束应保持至少20%的重叠。 测深线方向是测深线布设所要考虑的另一个重要因素，测线方向选取的优劣会直接影响测量仪器的探测质量。选择测深线布设方向的基本原则：有利于完善地显示海底地貌，有利于发现航行障碍物，有利于工作。对于多波束测深，还要考虑测量载体的机动性、安全性、最小测量时间等问题。 知识点7、测线布设测线是测量仪器及其载体的探测路线，分为计划测线和实际测线。水深测量测线一般布设为直线，又称测深线。测深线分为主测深线和检查线两大类。主测深线是实施测量的主要测量路线，检查线主要是对主测深线的测量成果质量进行检测而布设的测线。 测线布设的

21、主要因素是测线间隔和测线方向。测深线的间隔根据测区的水深、底质、地貌起伏状况，以及测图比例尺、测深仪器覆盖范围而定，以既满足需要又经济为原则。对单波束测深仪而言，主测深线间隔一般采用为图上10 mm，在海上养殖区域主测深线间隔可适当放宽。 多波束测深系统的主测线布设应以海底全覆盖且有足够的重叠带为原则，其检查线应当至少与所有扫描带交叉一次，以检查定位、测深和水深改正的精度，两条平行的测线外侧波束应保持至少20%的重叠。 测深线方向是测深线布设所要考虑的另一个重要因素，测线方向选取的优劣会直接影响测量仪器的探测质量。选择测深线布设方向的基本原则：有利于完善地显示海底地貌，有利于发现航行障碍物，有

22、利于工作。对于多波束测深，还要考虑测量载体的机动性、安全性、最小测量时间等问题。 3声速改正 对于单波束测深来说，声速误差仅影响测点的深度，在未实测声速剖面的情况下，通常在现场利用已知水深比对来对实际声速值进行改正。对于多波束测深，通常用现场实测声速剖面采用声线跟踪对波束进行精确归位，但由于以点代面的实测声速剖面对不同区域可能存在误差，因此有时还需进行声速后处理改正。 多波束声速改正后处理方法可分为两大类。第一类是以改变声速剖面为思路的处理方法，它涉及对多波束折射路径的重新计算，在已知各波束的发射角和旅行时之后，运用新的更准确的声速剖面，进行各波束的入射角、旅行时向测点的空间位置的转换，其方法

23、与实时采集声速改正的时空转换方法一致。 第二类方法为几何改正法，在无法确知声速结构时采用，通过对波束在测深横剖面上的叠加统计，用几何旋转的方法改正地形畸变，或者借助于等效声速剖面的原理以及重叠区地形一致的原理，重新对波束归位。4水位改正 为了正确地表示海底地形，需要将瞬时海面测得的深度，计算至平均海面、深度基准面起算的深度，这一归算过程称潮位改正或水位改正。水位改正中，水位改正值的空间内插是由潮差比、潮时差与基准面偏差的空间内插而实现 的。水位改正可根据验潮站的布设及控制范围，分为单站改正、双站改正、多站改正。 5测深精度海道测量规范(gb 12327-1998)规定的水深测量极限误差（置信度

24、95%）见表2-24。国际海道测量组织(iho) 1998年推出了海道测量标准（s-44）第四版，它根据不同海区对航海安全的重要程度，制定了4种不同的定位和测深精度要求（见表2-2-5），不仅适用于单波束测深，也是多波束测深的国际通用技术标准。知识点9、海道和海底地形测量海道测量除了获得水深、水文等基本信息外，还需要对影响船舶航行和锚泊的其他要素进行观测，包括障碍物探测、助航标志测量、底质探测、滩涂及海岸地形测量等。1 障碍物探测 航行障碍物探测是海道测量工作的重要内容之一。为了保证船只的航行安全以及海洋工程的需要，对危及船只航行安全的障碍物如礁石、沉船、浅地等均应准确测定其分布、性质、大小、位置等。航行障碍物探测的主要方法有侧扫声呐探测、多波束探测、单波束加密探测、扫海具扫测、磁力仪探测等。各类障碍物位置至少应有一组多余观测，且其位移不得大于5m，取中数作为最终位置。对能够探测到的航行障碍物要详细探明其性质、特征；对新探测的海底地物，还应采用其他方法进一步探测确认。 声呐图像的质量与拖鱼的高度、速度、背景噪声以