水下地形测量技术

摘要：简述水下地形测量发展历史，以其原理和方法为研究对象,探讨了与之相关的平面定位,水深测量、水下地形测量等相关方法。水上定位同时, 测量水的深度是确定水下地形的重要内容。介绍几种水下地形测量方法及所使用测量仪器，分析各自的优缺点。结果表明，在水下地形测量中，测量仪器的选择是其中一项重要的工作。在选型时既要考虑精度，又要兼顾其他方面。随着计算机技术、空间技术和通讯技术的飞速发展，水下地形测量装备正在朝着系统功能更加集成化，系统外观更加小型化和轻便型方向发展。随着测量理论研究和测量手段的变化，测量精度将明显提高。

关键词：海洋测绘水下地形 平面定位 水深测量

中图分类号：P24 文献标识码：A

1 概述

同陆地一样，海洋与江河湖泊开发的前期基础性工作也是测绘。不同的是，海洋测绘是测量水下地形图或水深图。兴建港口、水上运输、海上采油、海底探矿、海洋捕捞，发展水产、海域划界，海战保障、监测海底运动，研究地球动力等任务都需要各种内容的水下地形测量。 水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。定位的作用是不言而喻的，目前的水上定位手段有光学仪器定位、无线电定位、水声定位、卫星定位和组合定位。[1]平面位置的控制基础主要是陆上已有的国家等级控制点，卫星定位如采用差分方式，其岸台亦多采用已知控制点，以求坐标系统的统一。水上定位同时, 测量水的深度是确定水下地形的重要内容。测深与定位是必须瞬时同步进行的工作，都是描述水底地形的要素。但规范规定的测深中误差要求却不是一个定值,而是随着使用方法不同、所测深度不同以及是否感潮水域而有不同的精度要求。

2 水下地形测量技术

2.1 水下地形测量的发展历史

水下地形测量的发展是与测深手段的不断完善紧密相连的。在回声测深仪问世之前,主要的测深工具是测深铅锤和测深杆。这种测深方法不仅精度很低,费时费力,而且对于测量现场的要求很高,例如为了保证精度测量的水深不能过深,测量只能在测船停泊的时候进行定点测量,风浪对测量精度的影响非常大。20世纪60年代, 出现了侧扫声纳, 可探测船一侧( 或两侧) 一定面积海域内的水下障碍物和水底地貌,可以取得类似于航摄效果的水底表面声学图像。20世纪70年代, 又出现了多波束测深系统, 它能一次给出与航线垂直的平面内几十个甚至百余个海底被测点的水深值, 形成一定宽度的全覆盖的水深条带, 可以比较可靠地反映出水下地形的细微起伏, 比单一测线的水深测量确定水下地形更真实。目前,多波速测深系统正向小型化发展,适用浅水海域和简易船只的新产品已经有售。20世纪80年代以后, 又推出了高效率的机载激光测深系统, 激光光束的高分辨率能获得海底传真图像, 从而可以详细调查海底地貌和底质。美国国防制图局于1990年研制的ABS机载水深测量系统, 除包括一台激光测深仪外, 还有一台多光谱扫描仪和一台电磁剖面仪, 能够在各种环境条件下, 在飞机上利用激光、光谱和电磁测量几种方法互补快速测制沿海的水下地形图。这些手段一般可测深30～50m,精度在±0.3m左右。目前, 还可以利用卫星上安装合成孔径雷达(SAR)等设备对海面遥感摄影, 通过对照片处理确定水深。需要强调的是,以上水深测量得到的瞬时值存在着仪器、潮汐等因素的影响。因此,需在数据后处理中加入相关改正,并归算至统一的高程基准面。为了与陆上地形图实现拼接,水下地形图宜采用与陆地统一的高程基准。而为航海服务的海图通常采用理论深度基准面, 它和平均海面相差一个常数。国外少数国家,在水下工程施工前, 还利用潜水器携带水下立体摄影机获取水下地形的立体相片,或者利用高分辨率声学系统采取全息摄影技术测量水下地形。在特殊地区还可利用水下经纬仪、水下激光测距仪、水下气压水准仪和水下液体比重水准仪、水下电视摄影系统测量水下地形。

2.2 水下地形测量方法

2.2.1 测深仪的选择

当前常见测深主要靠回声测深仪进行。利用水声换能器垂直向下发射声波并接收水底回波, 根据回波时间和声速来确定被测点的水深, 通过水深的变化就可以了解水下地形的情况。[2]为提高发射功率,改善方向性,回声测深仪的换能器从单个发展到多个；为扩大探测面积,从单波束发展为多波束,他能一次给出与航线相垂直的平面内几十个海底被测点水深值,或者测出航线一定宽度的全覆盖的水深条带。并应用了计算机和数字显示技术,提高了精确度,扩大了使用范围。

测深仪的测深精度与测深仪的固有误差、水温、水深、河床类型等因素有关，而与比例尺无关。实际测深精度为：

δ2深度比例误差=h深度 * 1/100

δ实际定位=［(δ2测深仪固有误差+δ2深度比例尺误差+δ2湿度+δ2盐度+…)/n］1/2

从公式可以看到，测深精度的主要误差源在于深度比例误差，因而在选择设备时，应尽量选择大量程、高灵敏度的测深仪。测深仪机型可分为单频测深仪和双频测深仪。单频测深仪可满足一般的深度测量需求，但对于兼有淤积、土方计算类型的测量就变得困难，因后者水深测量需要测定两个深度，一个为表层深度，另一个为积岩深度，故只有用具有两个不同探测频率的双频测深仪才可实现。[3]

2.2.2 常规水下地形测量

常规水下地形测量的工作包括测深、定位和水位观测三部分内容。首先在河道两岸建立一定密度的控制点,布设一定数量的水位站,要考虑到水位站的控制范围与测深精度、瞬时水位差、水位改正模型之间的关系,水位站的密度必须满足控制范围内内插后的水位精度。具体作业时运用GPS和导航软件对测深船进行定位,并指导测深船在指定测量断面上航行,导航软件或测深系统每隔一个时间段自动记录观测数据。测量数据处理主要包括坐标转换、声速改正、水位改正、时间同步改正、地形图生成等。

2.2.3 无验潮模式下GPS-RTK水深测量

常规的水下地形测量是用GPS测定水底点的平面位置,利用测深仪测定水深,通过对潮位、测船吃水等参数的改正,得到定位点高程。但是由于水面比降、潮汐等影响,使验潮站之间与待测位置之间的距离受到一定的限制,必须设置验潮站测量水位,推算潮汐传播规律。由于快速逼近整周模糊度技术的出现和不断改进,整周未知数可以迅速确定,从而保证了GPS实时载波相位差分(RTK)可以在动态环境下,实时地以厘米级的精度给出用户站的三维坐标。采用RTK技术可实时精确求得测定两点之间的相对高差,通过该高差可反算出流动站GPS相位中心的高程,该高程同基准站具有相同的高程基准面。但RTK得到的是WGS84坐标系中的高程,属于大地高程系统。如果能将该大地高转换成正常高或正高,就可以直接确定水下地形点的高程而无需进行验潮,因此称之为免验潮的水下地形测量。该测量方法摈弃了传统水下地形测量对潮位观测的严格需求,直接获得水底点高程,操作和实施方便、快捷。但上述方法同传统的测量方法一样,存在着船体姿态对测量成果精度的影响。在水面条件平稳情况下,姿态对测量精度影响较小；反之,影响较大时,必须进行测量和补偿。[4]

3 结语

随着计算机技术、空间技术和通讯技术的飞速发展，水下地形测量装备正在朝着系统功能更加集成化，系统外观更加小型化和轻便型方向发展。随着测量理论研究和测量手段的变化，测量精度将明显提高。具有面状测量功能的多波速测量系统将被广泛应用，各种水声校准设备的使用也将提高声纳设备的测量精度。数据采集和处理软件将得到进一步的发展，功能将满足不同用户的特殊要求。整个系统的简化和发展，使水下地形测量有着更加光明的未来。[5]

参考文献：

[1] 梁开龙. 水下地形测量[J]. 测绘通报, 2001,(06)：16.

[2]于岱峰,李良良,李登富. 新旧水下地形测量方法浅析[J]. 山东建材, 2008,(02)：63～65.

[3] 周军根. 水下地形测量技术方案的探讨[J]. 四川测绘, 2003,(03)：137～140.

[4] 路武生. 水下地形测量原理与方法研究[J]. 科技创新导报, 2009,(26)：191.

[5] 刘树东;田俊峰 水下地形测量技术发展述评 [期刊论文] -水运工程2008,(01)：11～15.

作者简介：于晓亮（1981-），女，吉林省人，工程师，从事海洋测绘及海籍调查方面工作