近岸海洋水深测量中几个问题的探讨
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[摘 要]随着我国在海洋经济方面取得了长足的进步，近海工程建设项目也在蓬勃的发展。对于近海工程建设项目的设计、施工，需要前期的勘察报告中能提供详尽的水深地形资料。水深地形数据同时在进行工程总费用的预结算时是作为统计工程量的重要依据。
中图分类号：P229 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0337-01
海洋勘察测绘是建设海洋强国的基础性工作，也是开发利用海洋自然资源与空间资源的根本保障工作。尽管相关的规范对于水深测量数据误差规定可以0.2m范围内，但水深测量的误差控制直接影响近海工程尤其是疏浚工程的经济效益，控制水深测量误差对于减少工程建设时的人力物力浪费现象进而达到提高工程效益的目的是相当重要的。
一、水深测量误差的原因分析及措施
1、水深测量误差原因分析
测量数据的误差一般由系统误差和人为误差共同影响而成的。对于改正水深测量误差，主要是关注其系统误差，系统误差影响因素一般包括仪器因素、声速因素、海况因素和船只因素等；而人为误差则是由不同的操作人员的技术水平及职业道德所决定的。
仪器因素主要指的是测深仪的相关的性能以及与其相配套的系统所造成的误差引起的水深测量误差，往往是引起水深测量误差的主要因素。某些型号的测深仪接受自身反射声波的精度不一样，当测深船在航行过程中，水中存在的障碍物会影响声波的反射情况，而测深仪对这类假声波不能做出正确的区分，从而影响水深测量的数据结果；另外测深仪可能由于使用时间超过其额定使用寿命导致其内部的元器件松动或老化，从而造成发出的波束以及仪器运转速度出现不规则的变化，从而对水深测量数据的精度造成直接影响。
通常采用的走航式水深测量方法，对声波的灵敏度依赖较大，因此，声波因素也是影响水深测量误差大小的重要因素。对于不同情况的海水环境、气候条件，水深测量之前声速设置精度对测量结果的影响是直接的。声速的设置准确与否需考虑海水盐度大小、含例、气压以及海水的温度等因素。一般认为当海水温度升高一摄氏度时，声波的传播速度增加约4.5m/s。例如所测水深为10米时，其声速按1490m/s和1500m/s两种情况设置，所得水深结果一般相差达10厘米，误差达1%，声速对水深测量的精度影响较为明显。
影响水深测量数据精度的海况因素包括海浪的大小和潮位观测的精度。海浪的起伏对于水深测量结果影响一般在10cm-20cm之间。潮位观测的精度受潮位站的位置条件和观测者的技术水平有关，应选择在风浪较小的区域进行潮位观测，观测读数应取波峰、波谷读数的平均值。
船只因素主要指的是船只的型号和测深仪换能器的安装使用对水深测量误差的影响。在海洋工程水深测量工作时选择合适的船只型号很重要。一般在水深较浅、风浪较小的海域进行水深测量时，建议选用船体较短小、活动灵活的船只；在水深较深，风浪较大海域进行水深测量工作时，建议选择吃水较深，稳性较好的船只。测深仪换能器安装于测深船只上时，需保证其处于垂直状态，建议用重锤进行检查，否则影响水深测量数据结果，倾斜角度越大，水深测量数据误差也越大。
2、减少水深测量误差的措施
要减少水深测量过程中的误差应注意以下几个方面：选择对测量工作有利的气象条件，尽量选择风力小、无浪的天气；需尽量选用精度高、耐用性好、稳定性能好的水深测量仪器；根据测区环境选择合适的测量船，测深仪换能器尽量安置测量船重心位置，如使用大型测量船应在测量前对船舶动吃水值进行测定。
二、无验潮模式与潮位改正模式的优缺点与误差分析
随着全球定位技术以及RTK技术的发展，RTK测量技术在沿海近岸以及内河航道的水深测量中的优越性日益凸显。RTK高程信号和Heave信号融合还可以提高最终测量成果的精度。RTK用于海洋测绘有两种方式：架设基站方法和网络RTK方法，架设基站发射功率高、信号强，一般不会发生信号中断的情况，但是需要多一台GPS接收机作为基准站，还需要有专人看守，比较麻烦；CORS网络RTK高程测量的中误差为0.022米，只需要一张手机卡，在手机有信号的地方就可以实现测量，缺点是：有时会因为网络原因导致信号中断，信号一旦中断就会造成数据的丢失，必须及时发现，测量船掉头重新测量，这样严重影响了施测效率。
潮位改正模式一般是用信标机定位，用验潮仪采集水面高程或直接读取潮位数据。信标机定位精度较低但对于海洋测绘精度足够，网络稳定。
测量船在海上受涌浪的影响会发生倾斜，由于无验潮模式用来计算水下高程的测量值是GPS椭球高经过似大地水准面精化后推算的85高程，而潮位改正模式使用的是海水面，二者受测船倾斜影响而产生的高程误差不同，如图1所示：测船受涌浪的影响而倾斜，图上三角形的斜边是声线，根据相似三角形原理有：
（1）
其中H水：水面到海底的垂直高度，S水：测量水深记录值，HG：GPS接收机到海底的高度，SG：GPS接收机到海底的测量记录值。接收机为了得到良好的信号需要离开测船一定高度，所以SG>S水。
（SG―HG）>（S水―H水）（2）
从以上分析可知：记录值与真实值的差距（误差），无验潮模式大于潮位改正模式，船舶横摇纵摇对无验潮模式测深精度影响更大。
三、验证潮位改正精度的一种方法
海洋测绘是测量船在海面上测量海底相对于海水面的深度，而海水面由于日月引力的影响周而复始地做固定周期的升降运动，因此必须确定一个固定的深度基准作为参考（如85高程基准），一般选择当地理论深度基准面，将瞬时测量的水深值归算到当地理论深度基准面就需要设立验潮站测量海面的瞬时高程值进行潮位改正。潮位改正的目的是尽可能地消除测深数据中的海洋潮汐影响，将测深数据转化为以当地理论深度基准面为基准的水深数据。 在实际测量中不可能观测测区内每一时刻的潮汐变化值，所以，水位观测通常以“点”代“面”的改正方法。潮位改正方法主要有单站潮位改正法、线性内插法、水位分带法、时差法和参数法等，每种方法都有自己的假设条件，所以在水位改正时存在一定的误差。
目前，我国对于水位改正的精度还没有给出具体的规定，但是GB12327―1998《海道测量规范》给出了“相邻验潮站之间的距离应满足最大潮高差不大于1m，最大潮时差不大于2h，且潮汐性质基本相同”的规定。考虑到现在高速发展的海洋测绘技术以及仪器条件比颁布《海道测量规范》时要高许多，可以用外推法或者内插法对潮位数据的精度进行一定的评估，具体方法是：在确立验潮站布设方案之后，在呈三角形设置的验潮站中间位置投放一自容式验潮仪（或者人工在测区内的几个小岛上不同时间不同位置分别观测7h）与水位分带法计算的该位置的潮位值比较，以确定分带法潮位改正的精度。
结论
海洋测绘是一门多传感器协同作业的数据采集与处理技术，集GPS空间定位、海洋声学测深、声速测量、潮位测量等于一体，要提高海洋测绘数据精度必须从施测的每一个环节入手分析。换能器船舷安装时测线方向应该尽量设计与波向涌向一致；测船横摇纵摇对无验潮测深模式的影响较验潮模式更大；潮位的内插改正精度是可以通过多余观测来实现评定的。
参考文献
[1] 褚宏宪，史慧杰，杨源，冯京.利用涌浪滤波器提高水深测量精度的实践[J].海洋测绘，2010，（04）.
[2] 于海燕.河流水下地形测量中水位的图上处理[J].测绘与空间地理信息，2009，（05）.