论述水深测量基本原理和误差分析技术

【摘要】数字化测绘技术的应用将数据采集和数控绘图仪有效地结合起来，形成一个从外到内数据收集、数据处理、绘图的自动测图系统，不仅实现了图形测绘的自动化，降低了成图的难度，而且还建立了专业的数据库和基础地理信息系统，为以后的图形测绘奠定基础。

【关键词】水深测量 GPS技术 基本原理 基本步骤

GPS技术在陆地测量中的应用已经比较成熟，在水深测量中的应用也已经兴起。公司以往的水深测量多采用陆地全站仪测量定位，测量绳和测深锤测量水深的方法，精度难以保证，工作难度大，外业测量人员也很辛苦，且成图时间长。使用GPS技术后，特别是RTK技术的出现，使得水上测量可以采用无验潮方式进行工作，减少了测量人员的劳动强度，自动化程度高提高了测量精度，也提高了工作效率。

一、水深测量的基本原理 。

1、测深系统基本原理。

常规测深法是利用水准测量方法，计算水面与深度基准面之间的关系，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。

2、回声测深原理。

假设声波在水中的传播水面速度为V，当在换能器探头加窄脉冲声波信号，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收，测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则：

Z= VT/2

Z就是从探头到水底的深度，再加上探头吃水就是水深了。

3、水底信号识别技术。

虽然回深测深的原理很简单，但水中的情况却是很复杂的，有干扰回波、有鱼群出没或杂物的回波，水底的反射条件各不相同，在浅水区还有可能出现二次、三次回波，如何从众多的杂波中跟踪得到真正的水底回波信号，需要采用相关的水底门跟踪技术（也叫时间门跟踪技术）、脉宽选择、信号门槛、自动增益控制、时间增益控制（TVG）等技术。

二、水深测量误差技术。

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。

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计算得出。其数学公式为：H=Cm*Δt/2式中Cm为平均声速，Δt 为发射与接收信号时间差。

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-0.0366T2+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ΔC，ΔC对深度的影响为：ΔH=C*ΔT/2。

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δt，则对深度值的影响为：

δH=C*δt/2 式中，δt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。

2、水面高程传递误差。

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。

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，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。

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。

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。

2.2.2潮位观测误差 。

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、降低误差措施。

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

三.水深测量的基本程序。

水深测量的作业系统主要由GPS接收机、数字化测深仪、数据通信链及相关软件等组成。测量作业分三步来进行，即测前的准备、外业的数据采集测量作业和数据的后处理形成成果输出。

1、测前的准备 。

（1）求转换参数

①将GPS基准站架设在已知点A上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数，关闭转换参数和七参数，输入基准站坐标（该点的单点84坐标）后设置为基准站。

②将GPS移动站架设好于点B上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、接收间隔，关闭转换参数和七参数后，求得该点的固定解（84坐标）。

③通过A、B两点的84坐标及当地坐标，求得转换参数。

（2）建立任务，设置好坐标系、投影、一级变换及图定义。

（3）作计划线。如果已有测量端面就要重新布设，但可以根据需要进行加密。

2.外业的数据采集。

将GPS接收机、数字化测深仪等连接好后，打开电源。设置好记录设置、定位仪和测深仪接口、接收机数据格式、测深仪配置、天线偏差改正及延迟校正后，就可以进行测量工作了。

3.数据的后处理

数据后处理是指利用相应配套的数据处理软件对测量数据进行后期处理，形成所需要的测量成果，所有测量成果可以通过打印机或绘图机输出。

水深测量技术与信息技术的结合有力推动了海洋测绘的发展，数字测深技术成为信息化海洋测绘的推手，我们在掌握目前常用的“GPS定位+测深仪测深”的技术后，还应该关注水深测量技术的发展趋势，因为应用新技术新工艺可以大大提高测绘生产效率，为社会创造更大的效益。

参考文献：

1、董妍.GPS在海洋测绘中的应用[J].科技风，2010，（03）.

2.宁津生.高新技术与测绘学科发展，中国测绘学科发展蓝皮书[C]，2003（05）.

3.张发栋，虞祖培. GPS无验潮测深技术在水深测量中的应用[J].港工技术，

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