1、n 第三章 水下地形测绘n 水下地形测绘的目的主要通过水深测量方法获取水体覆盖下的水底地形图，为航运交通、港口码头建设、海洋渔业捕捞、水产养殖、水利设施建设、路桥建设、海洋资源开发、海底管道电缆铺设、国防军事、海洋划界等提供基础数据和图件。n 水下地形测量与陆地地形测量所采用的控制测量方法是相同的，不同的是由于水体的覆盖，水下地形是看不见的，不能像陆地地形测量可以选择地形特征点进行测绘。因此，只能采取在测区均匀布设测线和测点的方式测量。水深测量的主要设备是测深声呐，即回声测深仪（简称测深仪），在一些水草茂密或测深声呐无法工作等特殊区域，偶尔也采用测深锤或者测深杆。现在，与陆地地形测量一样，水深
2、测量的定位也主要采用 GPS技术，一些传统的导航定位技术如六分仪、无线电定位系统等已逐渐被淘汰。 n 3 1 精度要求与技术设计n 一、精度要求n 水深测量的精度主要由测点的测深精度和定位精度决定，其精度必须满足相应的国家标准、行业标准或特定测量项目的精度要求。国际上权威的测深精度标准是国际海道测量组织（ IHO）制定的国际海道测量标准。在我国，水深测量的国家标准主要是 海道测量规范 、 海洋工程地形测量规范 ，行业标准有 水运工程测量规范 等，这些技术标准对平面和高程控制测量的精度要求与陆地测量的要求基本相同，对测深精度的规定一般与 IHO的要求一致。表 3 1为 1999年版国家标准 海道
3、测量规范 规定的深度测量极限误差。 对定位精度的要求，通常是根据测图比例尺和项目的特定要求来规定，尽管存在一些细微的差别，但对测深定位精度的要求基本应满足表 3 2的规定。定位中心应尽量与测深中心保持一致，当二者之间的水平距离超过定位精度要求的 1/2时，应将定位中心归算到测深中心。 n 主测线与检查线的重合点水深值比对是检查水深测量的主要指标。主、检点位图上距离 1.0mm内的重合深度点，深度不符值限差规定为：在 0 20m为 0.4m， 20m以上为水深的 2，见表 3 3。当超限的点数超过参加比对点总数的 25，或图幅拼接的点位水深比对超限时应重测。n 二、技术设计n 技术设计首先要确定
4、测区范围，划分图幅和确定测量比例尺，标定免测范围或确定不同比例尺图幅之间的具体分界线，明确实施测量工作中的重要技术保证措施，编写项目设计书和绘制有关附图。n 1实地勘察n 2制定技术设计书n 通过实地勘察，对初步设计进行修改，制定技术设计书。技术设计书由技术说明书、控制测量、水深测量和岸线地形测量设计图及有关附图和附表组成。n 技术说明书的内容为：任务的来源、性质、技术要求，测区的自然地理特点，技术设计的依据及原有测量成果的采用情况；各施测控制点的等级、标石及造埋数量，水深测量图幅、测深面积及障碍物的大致分布情况；作业所需的各种主要仪器、器材、船只类型和数量；根据测区地理气象及技术装备条件，确
5、立不同测区的作业率，计算各种测量作业的工作量和工作天数以及时间安排；技术人员选定及分工；根据测区特点和作业技术水平，重点提出适当的作业方法和注意事项，需要时应做出具体技术指示。n 技术设计书的图表内容主要包括：控制测量设计图应标出已知点和待测点的位置、名称和等级；水准测量起点和待测点名称、联测路线、测量等级等；水深测量设计图应标出测区范围、测图分幅编号、比例尺、水位观测站名称和位置及附近重要城镇和道路的名称；海岸地形测量设计图应标明测量比例尺及实测、修测范围；附表包括技术说明书中各种统计表格等。n 3测线布设n 测线布设是水下地形测量技术设计的主要内容之一，测线布设主要考虑测线间距和测线方向。
6、测线间距是水下地形测量要求的一项重要指标，测深线的间隔应顾及测区的重要性、水底地貌特征和水深等因素确定。对单波束测深仪，原则上主测线间距图上为 1cm，平坦水底可以放宽为 2cm，见表 3 4。n 测线布设的方向对采用单波束测深仪或是多波束测深仪是不同的。原则上，采用单波束测量时，主测线应垂直等深线方向布设；采用多波束测深仪时，主测线应大致平行与等深线方向布设。如图 3 1所示，图中曲线表示等深线；虚线表示使用单波束测深仪时，测线与 n 等深线垂直方向布设，测线间距相同；实线表示使用多波束测深仪时，测线大致平行于等深线方向布设，测线间距一般是浅水密、深水稀。为了检查测深与定位是否存在系统误差或
7、粗差，并以此衡量测深测量成果总的精度，需要布设检查线。检查线的方向应尽量与主测线垂直，分布均匀，并要求布设在较平坦处，能普遍检查主测深线。图 3 1 测线布设示意图。检查线一般应占主测线总长 5 10。15 20 25 30 35 40 4510N图 3 1 测线布设示意图。n 3 2 导航定位n 在进行水下地形测量时，测量船须沿着预先设计的测线行驶，并且按照规定的时间或距离获取水深值和该水深值的平面位置。在 20世纪 90年代以前，有多种定位方法用于水下地形测量，如断面索量距法、六分仪、交会法、极坐标法、微波测距系统和无线电定位系统等。目前，全球卫星定位系统（GPS）几乎完全取代了这些传统的
8、定位方法，成为水下地形测量工作中最主要的定位手段，那些传统的方法在实际工作已经极少使用了。因此，本节将只介绍 GPS导航定位在水下地形测量中的应用。n 一、导航定位系统的组成n 图 3 3导航定位系统组成导航显示器 GPS接收机导航软件 /计算机同步定标器测深仪操作员显示终端数据通讯n 一个典型的水深测量导航定位系统（见图 3 3），包括 GPS接收机、安装有导航定位软件的计算机、导航显示器、操作员使用的显示终端以及与测深仪连接的数据通讯电缆，有时候，还需要一个专门的同步定标器。同步定标器的目的是控制测深仪的定标时间与 GPS的定位取样时间保持一致。导航定位软件应具有数据采集、质量控制以及界面
9、友好的导航定位信息显示等功能。导航定位信息显示应包括：测线和测量船的位置，导航信息与数据采集信息，以及供船驾驶的航向和偏航显示等 二、定位系统n 除少数对定位精度要求较低的情况外，大部分水深测量项目必须采用差分定位的方式才能满足定位精度的要求。根据不同的精度要求和覆盖区域，目前，主要有三种差分 GPS定位方式被用于水下地形测量。n 1单点 GPS定位n 单点 GPS定位就是采用一台 GPS接收机，以测码伪距为观测量，根据单点定位的原理，确定测量船水深测量瞬时的位置，也称为绝对定位（见图 3 5）。其定位的精度，取决于应用的测距码。当采用 P码时，单点定位的精度为 5 10米；当采用 C/A码（
10、 S码）时，定位精度为 20 50米。 n 2 DGPS定位DGPS定位即差分 GPS（ Differential GPS）定位。差分 GPS系统主要由基准台（也称基准站）的 GPS接收机、数据处理与传输设备以及移动台 GPS接收机组成，见图 3 6。与单点 GPS定位不同， DGPS定位需要在一个坐标已知点上设立 GPS接收机作为基准站，并和测量船上的 GPS接收机（移动台）同步观测不少于四颗的同一组卫星，求得该时刻的差分改正数， 通过通讯数据链把这些改正数实时播发给测量船上的移动台或者事后传送给移动台，前者称为实时差分定位，后者称为后处理差分定位。移动台用所接收到的差分改正数对其 GPS定
11、位数据进行修正，进而获得精确的定位结果。 n 3 RBN-DGPS定位n 为了扩大差分导航定位系统的覆盖范围，在较大的区域内实现精密导航定位，可以通过布设多个基准站，以构成基准站网，形成一个区域性差分 GPS导航定位系统，有些文献称为LADGPS (Local Area DGPS)。其中， RBN DGPS就是一个典型的 LADGPS。该系统是利用无线电信标台站向移动台播发差分改正信息，移动台用此信息对其接收的 GPS定位信息进行实时修正，以确定其精确位置。目前，由交通部在我国沿海建立 RBN DGPS定位系统，可以覆盖我国近岸向海约 400公里、向陆约 100公里的范围，定位精度约 2 5米
12、，取决于移动台与信标台站的距离和信标台站所提供修正量的精度 .n 4.广域差分 GPS定位n 前面已指出，差分 GPS的定位精度随移动台与基准站之间距离的增加而降低，即使是多基准站的 LADGPS系统，虽然在其覆盖范围内，定位精度比较均匀，但在覆盖区域的外围，系统也难保证更高定位精度要求的测量工作。因此，在远离LADGPS基准站的远海海域或广大内陆区域，为了获得高精度的导航定位，发展出来一种覆盖范围更广的差分 GPS定位系统，即广域差分 GPS（ Wide Area Differential GPS）精密定位系统。 n 该系统主要由监测站、主站、数据链和用户设备组成。一般的差分 GPS提供给用
13、户的是一组伪距或坐标修正量，而广域差分 GPS提供给用户的修正量是每颗可见 GPS卫星的卫星星历和时钟偏差修正量，以及电离层延迟参数，这是 WADGPS与一般的 DGPS和 LADGPS的基本区别。在 WADGPS网覆盖的区域内，修正量的精度比较均匀，可达亚米级或更高的定位精度。n 5 RTK-GPS定位n RTK-GPS定位是一种高精度实时动态载波相位差分（ Real -Time Kinematic Differential GPS）定位技术，由基准台、移动台及 RTK差分数据链组成。移动台无需在已知点上做初始化，而直接在动态环境下确定整周模糊度，实时接收 GPS定位信息，并按基准台发送的
14、RTK差分改正数进行修正，获得厘米级精度的三维坐标。 RTK-GPS定位技术的作用距离较近，通常只有 10 20公里。n 利用 RTK-GPS定位技术可实现无水位观测的水下地形测量。如图 3 8所示，为 GPS天线到吃水线的高度，为测深仪换能器设定吃水， 为测量的水深值。为绘图水深，为 RTK测得的相对深度基准面的高程。则n 式中，是瞬时水面至深度基准面的高度，即水位值。当水面由于潮水或者波浪升高时，增大，相应地也增加相同的值，根据上式，将不变。因此从理论上讲， RTK-GPS无验潮测深将消除波浪和潮位的影响，是一种较好的水深测量方法。深度基准面ZH hZ0ZpGPS天线测深仪换能器3 8 RTK-GPS无水位观测模式水深测量原理示意图
