ADCP与流速仪在洋山港的比测分析.docx

1、飨境咨iRhrtn*/Av*u.wrnvinc(>ni第38卷第8旃2007年8月人民长江YangtzeRiverVol.38,No.8Aug.,2007文章编号:1001-4179(2007)08-0132-02ADCP与流速仪在洋山港的比测分析米巧玄（长江水利委员会长江口水文水资源勘测局，江苏太仓215431）摘要：声学多普勒流速刮面仪（AcousticDopplerCurrentPrt）filer,缩写ADCP）是1982年国际上发展的一种新的流速测量仪器。该仪器利用声学多普勒原理测量水流速度剖面，具有删脸时间短、分辨率高、精度好、资料完整、信息量大的特点，特别适合于流态复杂条件下

2、的测验，与传统的流速仪相比具有更高的测脸效率。根据声学多普勒流速割面仪（ADCP）和传统流速仪在洋山港大量比测测验资料，用数理统计方法和公式，对各项比测误差与精度进行统计与分析。分析结果表明，ADCP测验速度快、精度高，具有常规流速仪不可比拟的优超桂。关键词：ADCP;流速仪；统计分析；比测分析中图分类号：P335文献标识码：A收稿日期:2007-05-10作者简介：朱巧云,女，长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局.工程师C1概述上海国际航运中心洋山深水港工程位于远离大陆的海岛区，为通过填海造陆开发建设的特大型港口工程。在建设过程中，为掌握施工过程中港池水域及主要通道的水文、地形变化情况

3、，实施了水文、地形动态跟踪监测。洋山港海域水深、流急、泥沙含量高，多变的流态使得传统流速仪测流的方法受到限制。声学多普勒流速剖面仪利用声学多普勒原理测量水流速度剖面，具有测验时间短、分辨率高、精度好、资料完整、信息量大的特点.特别适合于流态夏杂条件下水文的测验，与传统的流速仪相比具有更高的测验效率。ADCP比测精度是以常规流速仪测的流速作为近似“真值”的对比精度。本文主要对洋山港海域ADCP与IS25型流速仪实测垂线点流速进行对比分析，评价比测精度综合指标等内容。2ADCP流速剖面仪测流原理声学多普勒流速剖面仪配备有4个换能器，与仪器轴线成一定央角。每个换能器既是发射器乂是接收器。换能器发射的

4、声波能量集中于较窄的范围内.称为声束（类似于手电筒或探照灯发射的光束）。换能器发射某一固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。假定水体中颗粒物的运动速度与水体流速相同,ADCP通过跟踪颗粒物的运动（称为“水跟踪”）所测量的速度是水流相对于ADCP（也即ADCP安装平台）的速度。当ADCP安装在固定平台上，“水跟踪”测量的流速即为水流的绝对速度。当ADCP安装在船上（移动平台），在“水跟踪”测量的相对速度中扣除船速（平台的移动速度）后即得到水流的绝对速度。测量船速方法有两种:“底跟踪”。“底跟踪”是指ADCP通过接收和处理海底的回波信号跟踪海底的相对运动。如果海底没有移动的推移质，

5、“底跟踪”所测量的速度即是船速。利用GPS测量船速。由航迹上任意两点的GPS坐标值可以得到两点间的位移，再除以相对应的时间步长即得到船速。值得指出的是，与传统流速仪不同，ADCP流速测量点不在ADCP所处的位置，而且可以测量距其-定范围内的许多点的流速，例如垂线上多点流速。也就是说，一台ADCP可以替代许多台传统流速仪，见图lo图1ADCP采样示意3比测误差统计方法与估算利用数理统计方法和公式，统计或估算各项比测误差，以将流速仪法测得的独立分量成果作为近似真值。因ADCP的n个独立测量值可看成是在不同的条件下测得的，分别统计或估算各试验单站点流速、平均流速的相对误差、平均相对误差（或平均相对系

6、统误差）、相对均方差（或随机不确定度）等指标。最后在各试验站估算指标成果与分析综合的基础上,得出最终比测精度指标。相对误差是反映ADCP测量结果与流速仪测量值（似真值）接近程度的量，称为精度;误是小的，其精度高，两者有相反的意义。平均相对系统误差是指“正确度”，反映系统误差大小的程度;相对标准差（或相对均方差、变差系数、离势系数C,）是指朱巧云：ADCP与流速仪在洋山港的比测分析朱巧云：ADCP与流速仪在洋山港的比测分析133“精密度”，反映随机误差大小的程度，即反映ADCP观测值的稳定性。相对随机误差不确定度为取I=2倍时的相对标准差，即设本次比测独立观测值的个数">30(自

7、由度)，学生氏分布基本上等于正态分布。故取P=0.95概率(置信水平)对应/=2进行描述。其目的可望观测值落入下土9的统计区间内。上述的误差值为无量纲量，以百分率表示。4测验仪器设备定点测流采用重庆水文仪器厂生产的LS25型直读式流速仪(以下简称流速仪)，仪器经过水槽鉴定，测量精度(相对均方差)为土1.5%。ADCP为美国RD【仪器公司生产，频率为300kHz或600kHz,其主要技术指标如下：测速范围：±0.01±9.5m/se速度分辨率:0.25cm/so长历时测速精度：土测量值x0.5%o发射脉冲速率:810个脉冲/s。可测最大深度:90m。可测第一个测验单元距换能器

8、面的距离：1mo河底边界育区:实测深的10%左右。使用环境温度:-5+40ro承压水深：1350mo5流速仪与ADCP流速比测精度与分析为r克服流速脉动对测速成果精度的影响,直读式流速仪测点的测速历时一般不少于100若流速变率较大，为缩短测流时间，可缩短到50So洋山港区测验时取测速历时为50SoADCP流速测值得到的是一系列、连续的瞬时流速值，为了克服流速脉动对测速成果精度的影响，测验取50s时均值与流速仪所测流速进行比较。2005年1月与2005年7月在洋山海域分别进行了流速仪和ADCP外接GPS和磁罗经方式、ADCP外接GPS方式两种情况下的比测测验，对大量的比测资料进行误差与精度分析计

9、算，比测试验的成果分述如下。5.1ADCP外接GPS方式与传统流速仪测流对比分析不同比测时期，ADCP外接GPS方式与流速仪比测的各项误差汇总见表1,实测流速相关图见图2。由表图可见：(1) 各比测时期,ADCP与流速仪各测速点实测流速相对差值的变化是随机的，为正态分布。(2) ADCP所测流速值与流速仪相比较系统偏小。就测点流速看，不同潮期平均偏小值在2.50%4.33%,系统误差落潮阶段比涨潮阶段大,总体平均偏小3.37%。(3) 流速仪与ADCP实测流速相对差在各比测时期的相对标准差约为7%,置信水平为95%的随机不确定度为14%,说明测量精度较高。(4) 各比测时期，流速仪与ADCP实

10、测流速的相关系数均在0.90以上,总体相关系数为0.9576,说明流速仪两者实测流速相关性较好。(5) 涨、落潮综合的ADCP与流速仪实测垂线流速线性回归方程式有关特性表现为:相关系数：p=0.9576。取显著性水平a=0.01,由相关系数检验表查得相关系数临界值p。=0.181；P>Po，*心与L线性相关关系是高度显著的。通过线性回归法计算得到的虬心预测值所产生的标准误差为0.07190当置信水平为99.7%时，其置信域为(0.9322吃+0.0347±0.2157)；当置信水平为95%时，其置信域为(0.9322心+0.0347±0.1438)o表1流速仪与ADC

11、P(外接GPS)实测流速比测各项误差汇总相对误差/系统相对相对随机设相关系数自由度(n-2)显著性水平项目%误差/标准差不确定度(置Q=0.01相关最大反小%差/%倍水平为95%)系统崎界值落湖11.11-17.92-4.336.9913.980.9162520.354涨潮16.81-16.47-2.506.即13.740.9M5580.325涨、落潮螺合16.81-17.92-3.376.%13.920.95761120.181图2流速仪与ADCP(外接GPS)涨、潮流速综合相关关系5.2ADCP外接GPS和磁罗经方式与流速仪测流对比不同比测时期，ADCP外接GPS和磁罗经方式与流速仪比测的

12、各项误差汇总见表2,实测流速相关关系见图3o由表2和图3可见：(1) ADCP所测流速值与流速仪比较系统偏小。就测点流速看，涨落潮平均偏小值在0.63%4.86%,总体平均偏小2.69%。(2) 流速仪与ADCP实测流速相对差在各比测时期的相对标准差在2.21%-7.68%,总体上为6.12%,置信水平为95%的随机不确定度为12%。说明测量精密度较高。(3) 各比测时期，流速仪与ADCP实测流速的相关系数均在0.95以上,总体相关系数为0.99981。ADCP与LS25型流速仪两者实测流速的相关性好于前-种情况。(4) 涨、落潮综合的ADCP与流速仪实测垂线流速线性回归方程式有关特性表现为:

13、相关系数p=0.9981。取显著性水平a=0.01,由相关系数检验表查得相关系数临界值p。=0.325;p>伽，*心与改线性相关关系是高度显著的。通过线性回归法计算得到的预测值所产生的标准误差为0.0342O当置信水平为99.7%时，其置信域为(0.9301吃+0.0303±0.1026);当置信水平为95%时，其置信域为(0.9301+0.0303±0.0684)o图3流速仪与ADCP(外接GPS、磁罗经)涨、潮流速综合相关关系(下转第152页)152152人民长江2007年(5) 河网密度计算，将各网格单元内的河网水系总长度除以该网格的面积，即可得到该网格单元内的

14、河网密度，并以字段Density保存,最后输出形成一个包括各网格单元河网密度的新图层。(6) 河网密度可视化显示与表达。利用G1S的3D分析功能(3DAnalysis),将包括各网格单元河网密度的新图层转换成为(；由1图层,或者绘制河网密度等值线图，实现河网密度的可视化显示与表达。(<l)y0e分制率如M：iOkmXlOkm格大小按照上述基本流程，本文以基于清江流域250m和90mSRTM提取的数字河网作为数据源，分别计算了10kmx10km、5knix5kni和1kn)xIkm共3种不同尺度下的清江流域河网密度，结果如图4所示。通过对比，不难发现，无论是利用基于250m分辨率SRTV1

15、提取的数字河网，还是利用基于90m分辨率SRTV1提取的数字河网计算河网密度，如果河网密度的统计单元太大,得到的河网密度都比较粗糙，不能其实地反映流域河网水系的空间分布状态，在清江流域这种中小规模的流域，1km-分费家DEM;iOk®x«Ok»S5f8X小图4基于不同分辨率数字河网的不同空间尺度下的清江流域河网宅度分布X1km尺度下计算得到的河网密度，与流域的河网水系比较接近,基本能够反映出流域的河网水系空间分布规律。由于以上基于数字河网的流域河网密度计算工作大都是由计算机自动完成的，不仅操作简单，而且精度比手工要高，非常适合于需要在大流域范围内进行许多不同尺度下

16、的河网密度计算与分析。4结论SRTM是一种全球免费的DEM数据,最高空间分辨率达到1s,为基于DEM的流域数字河网提取提供了一种新的有效数据源。利用不同分辨率SRTM数据，采用基于流向的数字河网提取模型得到的清江流域数字河网结果表明：在其他参数相同条件下,SRTM分辨率越高,提取的数字河网精度就越高，越接近实际的河网水系。此外，在SRTM分辨率不变的情况下，集水面积阈值越大，提取的河网水系就越多，但往往出现多提和误提现象,而集水面积阈值越小，提取的河网水系就越少，容易出现少提和漏提现象。传统的手工计算方法，不易实现不同尺度下的河网密度计算与分析°将数字河网应用于流域河网密度计算与分析

17、，不仅可以提高河网密度的计算效率，而旦可以改善计算的精度，并实现流域河网密度的可视化显示与表达。空间尺度大小对流域河网密度计算结果具有重要影响,空间尺度太大，得到的河网密度就不能其实地反映流域河网水系的空间分布状态。对于类似清江流域的中小规模流域，1kn)x1km尺度下计算得到的河网密度,与流域的河网水系比较接近,基本能够反映出流域的河网水系空间分布规律。参考文献：1JRabusB,EincdcrM,RolhA,etc.Hieshuttleradartopographymission-anewclassofdigitalelevationmodelsacquiredbyacebomeradar

18、.!S-PRSJournalofHi<Mogranimeln,andRemoteSensing.2003,57(4)：241-262.2J凌峰，王来，张仪文.SRTM无效数据填充及其在数字河网提取中的应用.华中科技大学学报,2OO5,33(I2)：8587.(煽辑：常汉生)相对误方/系统相对相对随机设相关系数自里著性水平%误割标准差不确定度(置由a=0.01相关大最小%龄信水平为95%)度系统益系值落湖0.00-8.81-4.962.214.430.9917280.46315.09-18.42-0.637.6815.360.9641310.418涨、做含15.09-18.42-2.696.1212.250.9981610.