1、1水深测量误差来源及分析摘要 随着社会的发展，陆地不可再生资源的减少，围海造地、港口开发、水下资源探测开发等工程建设项目层出不穷，基于此的水深测量项目也越来越多，对水深测量速度，精度等方面要求也越来越高。水下测量系统已愈来愈被广泛采用。相应的测量误差也不可避免，本文简述了现代海洋水深测量的基本特点及误差产生原因，并对提高测量精度提出了一些建议。 关键词：水深测量、误差、精度分析 中图分类号： P716+.11 文献标识码： A 文章编号： 1 水深测量系统组成及基本原理 1.1 系统组成 水深测量系统由基站和测船移动站、测深仪、计算机和内业处理系统构成，基站和移动站由 GPS 接收天线、电台天
2、线、主机、数据传输组成：测深仪由换能器、主机和数据传输部分组成。 1.2 测深原理 图 2-1 测深系统基本原理 如图 2-1，常规测深法是利用水准测量方法，计算水面与深度基准2面之间的关系，用回声定位法测出水面到泥面距离，计算出泥面高程。无验潮测深法是利用 GPS 接收天线中心获得测点的位置和基准面的关系，与常规测深法相同，量取 GPS 接收天线中心到测深仪换能器距离以及测深仪换能器测得与泥面的距离，得出泥面高程。 测深仪换能器连续的向水下发射声波，利用回声定位的原理测得声波在水下传播的时间，从而得到相应位置水深值，经过测量软件处理，可得到水下地形特征点高程。 水下地形测量包括定位和水深测量
3、。就目前水下地形测量主流技术而言,定位采用的是 GPS 定位模式，而水深测量采用的是回声测深仪。这样就可以确定测点的高程： 式中，为水底高程，为水面高程，为测量水深，为换能器的静吃水。2 水深测量流程 3 误差分析 现代海洋测量误差来自多个方面，主要包括测深误差、定位误差、潮位改正误差、测量环境误差。 3.1 测深误差， 根据回声测深仪工作原理，水面至水底的深度是通过声波传递时间3计算得出。其数学公式为：H=Cm*t/2 式中 Cm 为平均声速，t 为发射与接收信号时间差。 3.1.1 声速改正 声波在水中传播速度受水温及盐度影响而不同，一般按下列经验公式计算：C=1450+4.206T-0.
4、0366T2+1.137（S-35） 式中：C 为平均声速， T 为水温，单位 0,S 为含盐度。 由于 T、S 的测定误差会给 C 实际确定带来影响 C，C 对深度的影响为：H=C*T/2。 3.1.2 时间误差 测深仪的发射由震荡、功放、发生等电路组成，回声信号放大器由功放、检波、限幅、射极输出等组成，时间的测定是在这两者间对信号放大比较测定，由于受分辨率限制和信号在电路上的延迟，必然存在时间测定误差 t,则对深度值的影响为： H=C*t/2 式中，t 为时间误差。 随着电子技术的发展，测深仪的时间测定目前已得到很好的解决，时间测定误差已不是水深测量的主要误差来源。 3.2 水面高程传递误
5、差 海洋测量海底的高程获得是依靠水面进行传递。在高程传递的过程中，需进行深度基准面的确定、潮位站水尺零点的测定、潮位观测、潮位改正过程。 3.2.1 深度基准面的确定误差 深度基准面是一种相对基准面，有时也称之为设计水位。深度基准4面理论上与平均海平面平行。深度基准面的确定一般是以水文计算的办法确定，以航行保证率的方法计算。通常以 95%的通航保证率为标准，通航保证率是用统计的方法确定。深度基准面是以验潮站多年资料确定，其实质是确定深度基准面同平均海平面的差值。在多年的潮汐观测过程中，地壳的变形、水尺基准点的不规则下沉，水尺零点水准测量过程中潮汐的观测以及统计资料时间区间上仪器、观测方法的更新
6、，必然会带来系统误差和观测误差，直接影响深度基准面的精度，最终影响到基准面之间及同国家高程基准的换算精度。 3.2.2 潮位改正误差 目前海洋潮汐观测技术已有了很大发展，随着压力式潮位仪、超音波式潮位仪及 GPS 潮位仪的使用，使得潮位观测精度可达到 1cm 左右。但潮位改正仍然存在较大误差。 3.2.2.1 潮位站水尺零点的测定误差 潮位站水尺零点的精度直接关系到潮汐观测的精确度，其测定是通过水准测量的方法测定。在水准测量过程中基准点、仪器、观测过程、标石下沉均会带来误差，从而给水尺零点带来误差。 3.2.2.2 潮位观测误差 潮位观测主要有水尺观测、验潮井观测和传感器式水位计观测 。水尺观
7、测选一个合适的测潮位站，树立验潮尺，某时刻读取水尺上多个瞬时水面观测值，取平均值为该时刻的水位观测值。此方法简单易行。但受观测者主观因素大，虽然用平均法消除了部分波浪影响，但又附加了部分人为的随机误差，滤波性能不稳定，数据精度不高。 5验潮井观测是目前各验潮站最常用方法，它是在特制的竖井中引入海水，保持井内外水压平衡，在井中设置浮子，由浮子带动记录滚筒转动从而记录水面高程变化。在井与海水连通环节上设置了阻尼设备，这样在一定程度上消除了波浪的影响，提高了水位读取的精度，但同时也会引起水位的滞后和压缩。 潮位传感器式水位计观测是用现代计算机技术来观测潮位的变化，这类水位计使用了压力传感器，能自动进
8、行波浪改正，观测精度可达 1厘米。可实现数据的通信，设备体积小，携带方便。其缺点是对传感器制作要求高，其分辨率的大小决定了波浪的识别，特别是对轻波浪的识别。 3.2.2.3 潮位改正误差 在海洋测量过程中，必须将实际测量的水深值换算为相对于深度基准面或平均海面的高程，即进行水位的改正。潮位改正的数学模型为： H=h-Hc 式中：H 为测深瞬间海底相对于深度基准面的高程 h 为实测水深 Hc 为瞬时相对于深度基准面的水位 以上潮位误差分析是基于单个潮位展开的，对于大范围海洋水深测量，必须设置多个验潮站进行验潮，并进行内插改正。 潮位线性内插是由两个验潮站的水位观测数据来推算两站之间任意点处的水位
9、值，其数学模型为： Hx=Ha+（Hb-Ha）*Rax/Rab 6式中：Hx 为 X 点处 T 时刻的潮位高度， Ha、Hb 分别为 a、b 两潮位站 T 时刻的潮位高度 Rax 为测点距验潮站 a 的距离 Rab 为测点距验潮站 b 的距离 由于该数学模型是将验潮站之间的海面及潮位基准面作为直线来处理，仅适用于潮差均匀变化且测点位于两验潮站连线上的情况，实际上海面为不规则曲面，采用此方法会带来潮位内插的误差。 3.3 测量环境效应误差 3.3.1 船舶姿态引起的误差 DGPS 测绘系统工作的载体是测量船舶，在测量过程中，由于船舶姿态的变化，必然会引起船上的 GPS 天线平面位置和换能器波束角
10、产生相应的变化，引起定位和测深误差。 换能器发射的声波具有一个波束角，测深仪收到的信号可能是在这个波束角所覆盖的任何水深。正确深度应该是铅直发射声波波束角所覆盖区域的中心点水深值，很显然，它不同于声波覆盖区域的边缘点水深值，因此产生深度误差。此项误差在海底水深变化较大区域尤为明显。 3.3.2 船舶动吃水产生的测深误差 测深仪换能器固定安装在测量船底或船舷上，换能器被放置在水面以下，由于测量船吃水量受航速影响，航速越快，船下沉量就越大，同时也受波浪影响，因此换能器吃水量也随测量船上下沉浮变化。 4 降低误差措施 选择有利的气象条件下进行水深测量。船舶姿态对平面定位精度的7影响较大，必须尽量避免
11、在风浪中进行测量，特别是深水作业时要特别注意气象对测量的影响。另一方面，使用姿态补偿设备将船舶姿态实时记录并加入对测量数据进行修正。 选择高精度测量仪器。 差分 GPS 技术在 30KM 内可以消除各种卫星误差，但随着距离增加，误差显著增大，所以差分 GPS 应尽量在相应的作用范围内进行作业。 潮位观测应尽量选用新式高精度潮位仪，或选用无验潮测深法。 5 结束语 在水深测量中，误差的控制、改正是水深测量的重要环节，本文对水下地形测量中测深误差和定位误差来源及对策进行了初步分析。本文认为测量环境是影响测量精度的主要因子，属随机误差，不可控性较大，需加强注意，文中提出的一些解决方法只是尽量避免误差发生或扩大，而不能完全避免误差的发生，有些方法还需进一步完善。随着科学技术的发展和新技术的应用，测量方式方法的改进和完善，水下地形测量的精度有望进一步提高。 参考文献 1. 梁开龙，水下地形测量 ，测绘通报，2001 2周君根，水下地形测量技术方案的探讨，四川测绘，2003 3杨飞、马耀昌，GPS 在水下地形测量中的应用研究，地理空间信息，2006 4李宇、马洪蛟，提高水下地形测量 GPS 定位精度的探讨，现代测绘，2004 85冯德鹏,汪鹤卫.GPS 水下地形测量的误差来源分析.安徽建筑,2002(2). 6黄张裕，魏浩翰，刘学求.海洋测绘.国防工业出版社,2007.
