《海洋测绘技术》课件 第四章-水深测量（4.1）

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容第四章水深测量概述回声测深原理多波束测深系统机载激光测深（LIDAR）测线布设深度基准测量数据质量与管理海底地形成图4.1水深测量的技术与方法

水深测量是指测量船只沿预先布设的测深线航行，而进行的一种水深测量，又称水面船只测量。通过这种水深测量可知道各测深断面的海底地貌，进而测得整个测区的海底地貌，进行水深测量就得要有测深工具，目前有单频测深仪、双频测深仪、多波束等测深设备。

海上测量必须要满足两个条件：一是必须有准确的位置；二是必须测量出该位置的准确水深。位置可以用GPS实现；而对应的水深可以通过相关的测深设备同步获得。下图，在准确地测量出点1的水深h的同时，必须准确地把点1的坐标（Xa、Ya）测量出来，20世纪初，人们发明了用高频声波探测潜艇的方法。这种方法后来引用到海洋测深中，即现代的回声测深方法。古代测深主要使用杆子（俗称测深杆）或系有重物的绳子（俗称水铊）。测深杆最多只能测5m。用水铊最多也只能测50m，而且效率低、劳动强度大、精度也不高。

由于人无法直接观察水底，通过测量出点、线、面的水深，才能要完善地探测海底地貌。要完善地探测海底地貌就必须研究测深线的布设（详细见第二部分第五章）。如图。内图长方形为要测量的区域，A、B、C、D、E等为测深区域内的测深线，1、2、3、4、5、6为测线C的测量点号，通过测出各测线的水深，然后把相同水深值的点连起来，即可反映出该区域的海底地貌。要测量出点1的准确水深，必须要了解测深的基本知识。4.2测深的基本知识及声速改正技术

声波在海水中的传播深度测量是海道测量的最重要的内容，为了确定水的深度一般采用回声测深仪。普通的回声测深仪由激发器、放大器、记录器、发射换能器、接收换能器组成。图为一测深仪的构成：回声测深仪

工作原理：先由发射换能器向海底发射声波（脉冲），然后又由海底将声波反射到接收换能器（通常接收换能器和发射换能器设计在一起）。如知道沿声波传播路径上每一点的速度C（t），并测得了声波由发射到接收的时间t。

在认为声波在海水中传播的速度是常数时，可以利用h=（ct）/2求出水深。但由于介质的不同，声波在不同的介质中其传播的速度是不同的。在海水中传播时，经研究声速在海水传播它与温度、盐度、压力有关。这样声波的传播速度在海水中不同的层面其传播的速度是不同的。如知道沿声波传播路径上每一点的速度C（t），并测得了声波由发射到接收的时间t。则可由下式确定深度:

以上的计算声速方法十分麻烦。人们常常将现场测得的温度、盐度、静压力代入经验公式来确定声速值。目前已有几种较常用的经验公式，其中公认的最准确的公式是威尔逊(Wilson)公式。这个公式包括单独依赖温度、盐度和静压力的各单项以及同时依赖于这三个变量的综合项形成的声速变化之和，其形式：

四波束扫海测深仪主要由四个收、发台的换能器，同步控制器和图示记录器织成。四个换能器在船上的安装方式有舷挂式和悬臂式两种。目前，我国各单位使用的四波束扫海测深仪，主要有日本产的MS—10型、PS—20R型及PS—600型。四波束扫海测深仪

机载激光雷达(LIDAR)是一个集现代三种尖端技术于一身的空间测量系统，它又分为用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的海道测量LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，即LightDetectionAndRanging-LIDAR。

LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。机载激光雷达是一种低成本高效率获取空间数据的方法。它的优势在于对大范围、沿岸岛礁海区、不可进入地区、植被下层、地面与非地面数据的快速获取。缺陷在于对水质要求较高。4.3机载激光测深（LIDAR）多波束换能器以一个较大的开角（如150°）向水下发射几十束或上百束声波（如512束），同时接收这些声波的反射波，那么每次发射接收一组声波，便可在垂直于航线上得到一组水深数据。当测船连续航行时，便可得到一个宽带的水下地形资料。多波束水下测深系统一、多波束水下测深系统（SeaBat8101）SeaBat8101是美国RESON公司SeaBat系列的产品，波束数101个，每个波束开角1.5°×1.5°，波束总开角150°，测量的覆盖宽为水深的7.4倍（水深小于70m时）。SeaBat8101多波束测深系统可以对水下地形进行大范围全覆盖的测量，结合实时动态（RTK）GPS定位，可以迅速获得各种比例尺的水下地形图，其测量成果可以精确反映水下细微的地形变化和目标物情况，极大地提高了测量的精度和效率，也是汛期进行水下监测的重要手段。多波束水下测深系统工作频率：240KHZ波束数：

101个波束总开角：150o单个波束开角：1.50X1.50最大采样速率：30次/s工作范围设定：0.5~300m水下有效覆盖宽：水深1~70m，为7.4倍水深，水深150m，为2.7倍水深；航速：最大30节（每节1.85km/h）；1、系统主要技术指标多波束水下测深系统2、Seabat8101测深系统配置多波束水下测深系统1）声纳探头包含探头主体和上下两个盖子(导流罩)。多波束水下测深系统3）主控计算机：由软件控制数据的贮存和输入/输出，对测线数据进行实时监视和记录。由其接收来自81-P处理器、导航与定位、姿态传感器与电罗经等的数据，4）差分GPS（DGPS）：给出精确的天线坐标（XYZ）。5）数字电罗经（GYRO）：给出精确的真北方向和测船的航艏方向的夹角。多波束水下测深系统 6）姿态传感器： 由于测船的起浮摇摆直接影响测量精度，姿态传感器将记录测船的姿态等信息。

7）后处理系统： 包括后处理计算机、彩色绘图仪等硬件系统和后处理软件（Caris软件）组成。多波束水下测深系统1）测量以带状方式进行，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100%覆盖，与单波束比较，多波束的波束角窄，对细微地形的变化都能完全反映出来。2）由于是对地形的全覆盖，其大量的水深点数据使生成的等值线真实可靠，而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线，在数据采集不够时，将导致等值线存在一定偏差。3）多波束系统同步记录船体姿态信息，由Caris后处理软件对测量结果进行校正，使测量结果受外界不利因素影响减小到最低限度。

3、系统的主要特点多波束水下测深系统

4）由于测区是全覆盖，因此在后处理时可对同一测区生成不同比例尺的测图，以满足不同的需要。

5）直观性强，可以在现场直观地看到水下的地形起伏、冲淤情况、以及护岸工程的效果，利用软件的回放功能，不仅在现场而且在室内也能演示。多波束水下测深系统6）成果丰富，可生成等值线图、三维立体图、彩色图像、剖面图等，同时还能对同一测区不同测次进行比较以及土方计算等。多波束水下测深系统20世纪90年代初期，我国才开始投资研制实用型多波束测深系统。H/HCS一017型多波束测深系统于1997年研制成功，系统的工作频率为45kHZ，具有48个波束，波束角为20×30，其测深范围为10-1000m，扇区开角为1200，测深覆盖范围最大可达4倍水深。我国多波束水下测深系统多波束水下测深系统北京海卓同创科技有限公司-海卓MS400P多波束测深仪（小型便携式、声纳系统波束角1°×2°、波束数目512个）MS400H（200~400kHz与700kHz的频率组合、0.5°×0.5°波束角、1024波束数）；MS8200（最大160°波束开角、8倍水深以上的有效覆盖、三维水下地形测量、侧扫成像、水体成像、多目标点检测功能集成一体）MS8240（在200~400kHz调频范围、1°×2°波束角度、1024波束数、60Hz最大Ping、500m最大测深等指标均达到国际先进水平）我国多波束水下测深系统多波束水下测深系统多波束测深系统的发展前景

多波束测深系统的研制基本成熟,未来的研究重点将倾向于数据处理和应用研究。

在数据处理方面，由于目前各种原始多波束数据的存储格式极不统一，与各种多波束系统相配套的后处理软件也自成体系，互不相干，已经给多波束数据的统一管理和综合处理造成极大的困难，因此，设计开发能够采集各种多波束原始数据的通用接口，并在此基础上开发出规范化的多波束数据后处理软件，已经成为多波束技术产业发展的必然要求。多波束水下测深系统多波束测深系统的发展前景

多波束系统既可获得高密度、高精度的测点位置信息,又可获得海底图像信息,但成像质量较差;而侧扫声纳则以成像为主,可获得高分辨率的海底影像,但仅能给出描述海底地貌、地物的概略位置。因此，多波束数字信息与侧扫声纳图像信息的融合是将来测深技术深入发展的方向。多波束水下测深系统

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。激光测深的公式为：式中：G为光速；n为海水折射率；为所接收红外光与绿光的时间差。LIADR测量原理

不同的机载激光测深系统所发射的红外激光和绿光的波长稍不相同。机载激光测深系统的最大探测深度，理论上可以表达为：式中：P‘是一个系统参量，定义为P’＝PL·ρ·A·E／πH2。PB为背景噪声功率(W)；为海水有效衰减系数。

机载激光测深系统目前测深能力一般都在50米左右，其测深精度在0.3米左右。激光测深系统的组成一般有六大部分：测深系统(DSSS)、导航系统(NSS)、数据处理分析系统(DPSS)、控制—监视系统(CNSS)、地面处理系统(GPSS)、飞机与维修设备。

应用：机载激光测深具有速度快、覆盖率高、灵活性