浅议单波束测深仪沿海滩涂水下地形测量中的应用
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摘要：以松门礁山渔港水下地形测量为例，对水下地形测量中的技术要点及水深异常进行分析，为单波束测深仪在沿海滩涂水下地形测量提供一些思路。
关键词：水下地形测量；单波束测深仪；水深异常 Abstract:The mountain pine door reef fishing underwater topography measurement as an example, the water depth and the techniques of underwater topographic survey anomaly analysis, single beam echo sounder in underwater topographic survey along the beach to provide some ideas.
Keywords: underwater topographic survey; single beam echo sounder bathymetric anomaly;
中图分类号：P229.1 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
近年来，部分沿海城市为解决日益严峻的土地资源紧张和人口、社会经济发展的矛盾，开展了大规模的围海造地运动，影响了局部地区潮汐、波浪等水动力条件，再加上生活工业污水的无序排放，导致部分沿岸渔港淤积的情况日益严峻，为保障渔港的正常使用，需周期性对航道进行疏浚作业。本文以松门礁山港水下地形（1：1000）测量为例，对单波束测深仪在渔港航道疏浚测量中的可能出现的问题探讨，为业内同仁在此类测量项目中作业提供一些思路。
2 水下地形测量的主要技术要点
礁山港航道离大陆岸线距离最远处不超过600米，主航道长约2.8公里，区域范围不大，水深范围在0m-7m之间，因此本项目测量采用RTK技术确定测量点平面位置，利用无验潮测量技术直接确定水底高程；航道疏浚主要参考依据礁山闸闸底高程，因此未将成果归算到理论深度基准面，而直接采用1985国家高程基准进行水下地形图的绘制。
2.1 计划线布设
航道宽度约200m，为真实反映水下地形状况，便于工程设计和工程量的计算，主测深线沿着垂直于航道轴线的方向，并按照10m的间距依次布设；检查线布设为沿着距航道轴线左右0m，50m，且平行于航道轴线进行布设。主测线往航道范围外各延伸50m或直接延伸至岸边。主测线长=(200+50+50)×2800/10=84000m，检查线长=3×2800=8400，检查线长约等于主测线长的10%，满足规范要求。
2.2 测量船只及测量航速
因航道淤积较为严重，水深介于0-6m，航道较为狭窄，本项目采用吃水约0.8m，长约10m的小型渔船进行测量。通过事前检测，时延小于0.1s，租用船只极限速度为5节。渔港内生活污水、垃圾较多，声纳异常信号频出，为便于控制测量质量，控制船速在3节以内。时延影响
2.3 仪器调试与参数设置
正式航行前，需对GPS和测深仪分别进行调试和校正。GPS在测量控制点上检查控制点平面及高程数据，确保误差在允许的范围内；测深仪调试主要方式为将船只停泊于海底平坦的静水区域，分别用测深仪和测绳测定水深，通过修正仪器参数，使两种方式数据保持一致。
2.4 倾斜改正、动态吃水改正和声速改正
测深仪安装误差、船只航行过程中姿态变化往往造成支架与换能器倾斜，从而使得测深值与实际水深之间产生误差。如图1所示，
图1 倾斜改正图2动态吃水改正
设水深为L，测深仪倾斜角为a，则测深误差=L×sec（a）-L，设测量区域极限水深为10m，极限倾斜角为5°，则=3.8cm，可见在水深小于10m的浅水区域进行水下地形测量，可以忽略换能器倾斜所带来的测深影响。而平面误差为L×tg（a）=88cm，对水下地形测量影响不大，因此在保证支架基本竖直的情况下，本项目区域可以不考虑倾斜改正。
在无验潮模式下，换能器与GPS天线为一整体，不管吃水如何变化，测量所得换能器高程均为正确值，如图2，设换能器高程为吃水变化前后分别为Hc和Hc′，水底高程动态吃水变化前后分别为Hd和Hd′。则有
Hc′=Hc+h
Hd=Hc-hd
hd′=hd+h
Hd′=Hc′-hd′=Hc+h-（hd+h）=Hd
因此不管动态吃水如何变化，测量海底高程均为正确值。而海水深度为海底距深度基准面的距离，与瞬间海平面无关，因此，在无验潮模式下，可以不进行动态吃水改正。
测量区域海水深度低于10m，温度、盐度等对声速的影响造成测深误差可以忽略不计。
3水深数据测量数据分析及处理
实际测量中，水深数据异常主要情况有：水中漂浮物、鱼群、船只行驶过程中带起泥沙等原因造成假信号、水下植物反射信号、换能器持续运行而失去响应、水深过浅从而产生超声波在换能器与海底多次反射产生异常信号，此外，卫星信号失锁会造成测量数据精度急剧下降甚至产生虚假数据。主要问题主要集中在以下三个方面。
3.1 适宜单波束测深仪使用情形
单波束测深仪换能器入水深度一般为0.6m，在多次滩涂水下地形测量中发现，当水深为1.2m（即换能器距水底约0.8m）左右时，回波图像较为凌乱，如图3所示，根据检查线（潮位较高时测量）和测深杆实测比情况来看，这类区域水深值基本不正确，均需要重新测量。在需要的情况下，可采用滑板配合RTK技术对浅涂进行实测。
图3 不适宜测量水深回波图
3.2 水深数据异常情况
水下地形测量时，出现水深数据异常往往有迹可循，如水深线呈直线，水深值不变；水深图显示杂质较多，显示水深与海底线标示不一致；船只周边出现泥浆状浑水；水深值出现不正常跳变等。下面图4为正常情况下回波信号图；图5为经过悬浮物、鱼群等水域域时产生的回波图，测深仪往往难以辨别从哪个层面反射回来的信号为正确信号，是滩涂水下地形测量中出现最常见的虚假信号的情况。此情形下，现场需记录异常区域起止时间，实际水深和测量水深，在内业处理过程中进行修正。
图4 正常回波图图5非正常回波图
3.3 卫星信号失锁及处理
航道水下地形测量中，因处于繁忙航道，测量区域内完全没有船只活动基本上不可能，因此除因卫星、接收机故障引起卫星信号失锁外，还有可能因靠近大船而造成信号遮挡，从而影响测量质量，因此测量过程中除关注接收机情况外，还需关注与大船之间的安全距离。出现信号失锁需及时发现、减速行驶并及时处理，待正常后继续测量。
4 结论
为得到正确的水下地形资料，需要对测量过程进行全程监控。实时记录异常产生的时间点、时间段；对仪器故障进行及时干预与调整，使之对测量过程影响最小；每天外业测量结束后，利用现场测量记录、水深资料处理软件，回放水下地形测量过程，从而对野外测量数据进行修正，并对需要重测的区域绘制补测计划线。
通过水下地形测量过程中全程监控，结合内业判别处理，剔除了绝大部分虚假水深点，成果可靠程度得到较大提高。主检测线重合点高程中误差最大为0.2m，满足规范要求。