ADCP與流速儀在洋山港的比測分析.docxVIP

1、饗境咨iRhrtn*/Av*u.wrnvinc(>ni第38卷第8旃2007年8月人民長江YangtzeRiverVol.38,No.8Aug.,2007文章編號:1001-4179(2007)08-0132-02ADCP與流速儀在洋山港的比測分析米巧玄（長江水利委員會長江口水文水資源勘測局，江蘇太倉215431）摘要：聲學(xué)多普勒流速刮面儀（AcousticDopplerCurrentPrt）filer,縮寫ADCP）是1982年國際上發(fā)展的一種新的流速測量儀器。該儀器利用聲學(xué)多普勒原理測量水流速度剖面，具有刪臉時間短、分辨率高、精度好、資料完整、信息量大的特點(diǎn)，特別適合于流態(tài)復(fù)雜條件下

2、的測驗(yàn)，與傳統(tǒng)的流速儀相比具有更高的測臉效率。根據(jù)聲學(xué)多普勒流速割面儀（ADCP）和傳統(tǒng)流速儀在洋山港大量比測測驗(yàn)資料，用數(shù)理統(tǒng)計方法和公式，對各項(xiàng)比測誤差與精度進(jìn)行統(tǒng)計與分析。分析結(jié)果表明，ADCP測驗(yàn)速度快、精度高，具有常規(guī)流速儀不可比擬的優(yōu)超桂。關(guān)鍵詞：ADCP;流速儀；統(tǒng)計分析；比測分析中圖分類號：P335文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A收稿日期:2007-05-10作者簡介：朱巧云,女，長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局.工程師C1概述上海國際航運(yùn)中心洋山深水港工程位于遠(yuǎn)離大陸的海島區(qū)，為通過填海造陸開發(fā)建設(shè)的特大型港口工程。在建設(shè)過程中，為掌握施工過程中港池水域及主要通道的水文、地形變化情況

3、，實(shí)施了水文、地形動態(tài)跟蹤監(jiān)測。洋山港海域水深、流急、泥沙含量高，多變的流態(tài)使得傳統(tǒng)流速儀測流的方法受到限制。聲學(xué)多普勒流速剖面儀利用聲學(xué)多普勒原理測量水流速度剖面，具有測驗(yàn)時間短、分辨率高、精度好、資料完整、信息量大的特點(diǎn).特別適合于流態(tài)夏雜條件下水文的測驗(yàn)，與傳統(tǒng)的流速儀相比具有更高的測驗(yàn)效率。ADCP比測精度是以常規(guī)流速儀測的流速作為近似“真值”的對比精度。本文主要對洋山港海域ADCP與IS25型流速儀實(shí)測垂線點(diǎn)流速進(jìn)行對比分析，評價比測精度綜合指標(biāo)等內(nèi)容。2ADCP流速剖面儀測流原理聲學(xué)多普勒流速剖面儀配備有4個換能器，與儀器軸線成一定央角。每個換能器既是發(fā)射器乂是接收器。換能器發(fā)射的

4、聲波能量集中于較窄的范圍內(nèi).稱為聲束（類似于手電筒或探照燈發(fā)射的光束）。換能器發(fā)射某一固定頻率的聲波，然后聆聽被水體中顆粒物散射回來的聲波。假定水體中顆粒物的運(yùn)動速度與水體流速相同,ADCP通過跟蹤顆粒物的運(yùn)動（稱為“水跟蹤”）所測量的速度是水流相對于ADCP（也即ADCP安裝平臺）的速度。當(dāng)ADCP安裝在固定平臺上，“水跟蹤”測量的流速即為水流的絕對速度。當(dāng)ADCP安裝在船上（移動平臺），在“水跟蹤”測量的相對速度中扣除船速（平臺的移動速度）后即得到水流的絕對速度。測量船速方法有兩種:“底跟蹤”?！暗赘櫋笔侵窤DCP通過接收和處理海底的回波信號跟蹤海底的相對運(yùn)動。如果海底沒有移動的推移質(zhì)，

5、“底跟蹤”所測量的速度即是船速。利用GPS測量船速。由航跡上任意兩點(diǎn)的GPS坐標(biāo)值可以得到兩點(diǎn)間的位移，再除以相對應(yīng)的時間步長即得到船速。值得指出的是，與傳統(tǒng)流速儀不同，ADCP流速測量點(diǎn)不在ADCP所處的位置，而且可以測量距其-定范圍內(nèi)的許多點(diǎn)的流速，例如垂線上多點(diǎn)流速。也就是說，一臺ADCP可以替代許多臺傳統(tǒng)流速儀，見圖lo圖1ADCP采樣示意3比測誤差統(tǒng)計方法與估算利用數(shù)理統(tǒng)計方法和公式，統(tǒng)計或估算各項(xiàng)比測誤差，以將流速儀法測得的獨(dú)立分量成果作為近似真值。因ADCP的n個獨(dú)立測量值可看成是在不同的條件下測得的，分別統(tǒng)計或估算各試驗(yàn)單站點(diǎn)流速、平均流速的相對誤差、平均相對誤差（或平均相對系

6、統(tǒng)誤差）、相對均方差（或隨機(jī)不確定度）等指標(biāo)。最后在各試驗(yàn)站估算指標(biāo)成果與分析綜合的基礎(chǔ)上,得出最終比測精度指標(biāo)。相對誤差是反映ADCP測量結(jié)果與流速儀測量值（似真值）接近程度的量，稱為精度;誤是小的，其精度高，兩者有相反的意義。平均相對系統(tǒng)誤差是指“正確度”，反映系統(tǒng)誤差大小的程度;相對標(biāo)準(zhǔn)差（或相對均方差、變差系數(shù)、離勢系數(shù)C,）是指朱巧云：ADCP與流速儀在洋山港的比測分析朱巧云：ADCP與流速儀在洋山港的比測分析133“精密度”，反映隨機(jī)誤差大小的程度，即反映ADCP觀測值的穩(wěn)定性。相對隨機(jī)誤差不確定度為取I=2倍時的相對標(biāo)準(zhǔn)差，即設(shè)本次比測獨(dú)立觀測值的個數(shù)">30(自

7、由度)，學(xué)生氏分布基本上等于正態(tài)分布。故取P=0.95概率(置信水平)對應(yīng)/=2進(jìn)行描述。其目的可望觀測值落入下土9的統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)。上述的誤差值為無量綱量，以百分率表示。4測驗(yàn)儀器設(shè)備定點(diǎn)測流采用重慶水文儀器廠生產(chǎn)的LS25型直讀式流速儀(以下簡稱流速儀)，儀器經(jīng)過水槽鑒定，測量精度(相對均方差)為土1.5%。ADCP為美國RD【儀器公司生產(chǎn)，頻率為300kHz或600kHz,其主要技術(shù)指標(biāo)如下：測速范圍：±0.01±9.5m/se速度分辨率:0.25cm/so長歷時測速精度：土測量值x0.5%o發(fā)射脈沖速率:810個脈沖/s?？蓽y最大深度:90m。可測第一個測驗(yàn)單元距換能器

8、面的距離：1mo河底邊界育區(qū):實(shí)測深的10%左右。使用環(huán)境溫度:-5+40ro承壓水深：1350mo5流速儀與ADCP流速比測精度與分析為r克服流速脈動對測速成果精度的影響,直讀式流速儀測點(diǎn)的測速歷時一般不少于100若流速變率較大，為縮短測流時間，可縮短到50So洋山港區(qū)測驗(yàn)時取測速歷時為50SoADCP流速測值得到的是一系列、連續(xù)的瞬時流速值，為了克服流速脈動對測速成果精度的影響，測驗(yàn)取50s時均值與流速儀所測流速進(jìn)行比較。2005年1月與2005年7月在洋山海域分別進(jìn)行了流速儀和ADCP外接GPS和磁羅經(jīng)方式、ADCP外接GPS方式兩種情況下的比測測驗(yàn)，對大量的比測資料進(jìn)行誤差與精度分析計

9、算，比測試驗(yàn)的成果分述如下。5.1ADCP外接GPS方式與傳統(tǒng)流速儀測流對比分析不同比測時期，ADCP外接GPS方式與流速儀比測的各項(xiàng)誤差匯總見表1,實(shí)測流速相關(guān)圖見圖2。由表圖可見：(1) 各比測時期,ADCP與流速儀各測速點(diǎn)實(shí)測流速相對差值的變化是隨機(jī)的，為正態(tài)分布。(2) ADCP所測流速值與流速儀相比較系統(tǒng)偏小。就測點(diǎn)流速看，不同潮期平均偏小值在2.50%4.33%,系統(tǒng)誤差落潮階段比漲潮階段大,總體平均偏小3.37%。(3) 流速儀與ADCP實(shí)測流速相對差在各比測時期的相對標(biāo)準(zhǔn)差約為7%,置信水平為95%的隨機(jī)不確定度為14%,說明測量精度較高。(4) 各比測時期，流速儀與ADCP實(shí)

10、測流速的相關(guān)系數(shù)均在0.90以上,總體相關(guān)系數(shù)為0.9576,說明流速儀兩者實(shí)測流速相關(guān)性較好。(5) 漲、落潮綜合的ADCP與流速儀實(shí)測垂線流速線性回歸方程式有關(guān)特性表現(xiàn)為:相關(guān)系數(shù)：p=0.9576。取顯著性水平a=0.01,由相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表查得相關(guān)系數(shù)臨界值p。=0.181；P>Po，*心與L線性相關(guān)關(guān)系是高度顯著的。通過線性回歸法計算得到的虬心預(yù)測值所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.07190當(dāng)置信水平為99.7%時，其置信域?yàn)?0.9322吃+0.0347±0.2157)；當(dāng)置信水平為95%時，其置信域?yàn)?0.9322心+0.0347±0.1438)o表1流速儀與ADC

11、P(外接GPS)實(shí)測流速比測各項(xiàng)誤差匯總相對誤差/系統(tǒng)相對相對隨機(jī)設(shè)相關(guān)系數(shù)自由度(n-2)顯著性水平項(xiàng)目%誤差/標(biāo)準(zhǔn)差不確定度(置Q=0.01相關(guān)最大反小%差/%倍水平為95%)系統(tǒng)崎界值落湖11.11-17.92-4.336.9913.980.9162520.354漲潮16.81-16.47-2.506.即13.740.9M5580.325漲、落潮螺合16.81-17.92-3.376.%13.920.95761120.181圖2流速儀與ADCP(外接GPS)漲、潮流速綜合相關(guān)關(guān)系5.2ADCP外接GPS和磁羅經(jīng)方式與流速儀測流對比不同比測時期，ADCP外接GPS和磁羅經(jīng)方式與流速儀比測的

12、各項(xiàng)誤差匯總見表2,實(shí)測流速相關(guān)關(guān)系見圖3o由表2和圖3可見：(1) ADCP所測流速值與流速儀比較系統(tǒng)偏小。就測點(diǎn)流速看，漲落潮平均偏小值在0.63%4.86%,總體平均偏小2.69%。(2) 流速儀與ADCP實(shí)測流速相對差在各比測時期的相對標(biāo)準(zhǔn)差在2.21%-7.68%,總體上為6.12%,置信水平為95%的隨機(jī)不確定度為12%。說明測量精密度較高。(3) 各比測時期，流速儀與ADCP實(shí)測流速的相關(guān)系數(shù)均在0.95以上,總體相關(guān)系數(shù)為0.99981。ADCP與LS25型流速儀兩者實(shí)測流速的相關(guān)性好于前-種情況。(4) 漲、落潮綜合的ADCP與流速儀實(shí)測垂線流速線性回歸方程式有關(guān)特性表現(xiàn)為:

13、相關(guān)系數(shù)p=0.9981。取顯著性水平a=0.01,由相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表查得相關(guān)系數(shù)臨界值p。=0.325;p>伽，*心與改線性相關(guān)關(guān)系是高度顯著的。通過線性回歸法計算得到的預(yù)測值所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.0342O當(dāng)置信水平為99.7%時，其置信域?yàn)?0.9301吃+0.0303±0.1026);當(dāng)置信水平為95%時，其置信域?yàn)?0.9301+0.0303±0.0684)o圖3流速儀與ADCP(外接GPS、磁羅經(jīng))漲、潮流速綜合相關(guān)關(guān)系(下轉(zhuǎn)第152頁)152152人民長江2007年(5) 河網(wǎng)密度計算，將各網(wǎng)格單元內(nèi)的河網(wǎng)水系總長度除以該網(wǎng)格的面積，即可得到該網(wǎng)格單元內(nèi)的

14、河網(wǎng)密度，并以字段Density保存,最后輸出形成一個包括各網(wǎng)格單元河網(wǎng)密度的新圖層。(6) 河網(wǎng)密度可視化顯示與表達(dá)。利用G1S的3D分析功能(3DAnalysis),將包括各網(wǎng)格單元河網(wǎng)密度的新圖層轉(zhuǎn)換成為(；由1圖層,或者繪制河網(wǎng)密度等值線圖，實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)密度的可視化顯示與表達(dá)。(<l)y0e分制率如M：iOkmXlOkm格大小按照上述基本流程，本文以基于清江流域250m和90mSRTM提取的數(shù)字河網(wǎng)作為數(shù)據(jù)源，分別計算了10kmx10km、5knix5kni和1kn)xIkm共3種不同尺度下的清江流域河網(wǎng)密度，結(jié)果如圖4所示。通過對比，不難發(fā)現(xiàn)，無論是利用基于250m分辨率SRTV1

15、提取的數(shù)字河網(wǎng)，還是利用基于90m分辨率SRTV1提取的數(shù)字河網(wǎng)計算河網(wǎng)密度，如果河網(wǎng)密度的統(tǒng)計單元太大,得到的河網(wǎng)密度都比較粗糙，不能其實(shí)地反映流域河網(wǎng)水系的空間分布狀態(tài)，在清江流域這種中小規(guī)模的流域，1km-分費(fèi)家DEM;iOk®x«Ok»S5f8X小圖4基于不同分辨率數(shù)字河網(wǎng)的不同空間尺度下的清江流域河網(wǎng)宅度分布X1km尺度下計算得到的河網(wǎng)密度，與流域的河網(wǎng)水系比較接近,基本能夠反映出流域的河網(wǎng)水系空間分布規(guī)律。由于以上基于數(shù)字河網(wǎng)的流域河網(wǎng)密度計算工作大都是由計算機(jī)自動完成的，不僅操作簡單，而且精度比手工要高，非常適合于需要在大流域范圍內(nèi)進(jìn)行許多不同尺度下

16、的河網(wǎng)密度計算與分析。4結(jié)論SRTM是一種全球免費(fèi)的DEM數(shù)據(jù),最高空間分辨率達(dá)到1s,為基于DEM的流域數(shù)字河網(wǎng)提取提供了一種新的有效數(shù)據(jù)源。利用不同分辨率SRTM數(shù)據(jù)，采用基于流向的數(shù)字河網(wǎng)提取模型得到的清江流域數(shù)字河網(wǎng)結(jié)果表明：在其他參數(shù)相同條件下,SRTM分辨率越高,提取的數(shù)字河網(wǎng)精度就越高，越接近實(shí)際的河網(wǎng)水系。此外，在SRTM分辨率不變的情況下，集水面積閾值越大，提取的河網(wǎng)水系就越多，但往往出現(xiàn)多提和誤提現(xiàn)象,而集水面積閾值越小，提取的河網(wǎng)水系就越少，容易出現(xiàn)少提和漏提現(xiàn)象。傳統(tǒng)的手工計算方法，不易實(shí)現(xiàn)不同尺度下的河網(wǎng)密度計算與分析°將數(shù)字河網(wǎng)應(yīng)用于流域河網(wǎng)密度計算與分析

17、，不僅可以提高河網(wǎng)密度的計算效率，而旦可以改善計算的精度，并實(shí)現(xiàn)流域河網(wǎng)密度的可視化顯示與表達(dá)?？臻g尺度大小對流域河網(wǎng)密度計算結(jié)果具有重要影響,空間尺度太大，得到的河網(wǎng)密度就不能其實(shí)地反映流域河網(wǎng)水系的空間分布狀態(tài)。對于類似清江流域的中小規(guī)模流域，1kn)x1km尺度下計算得到的河網(wǎng)密度,與流域的河網(wǎng)水系比較接近,基本能夠反映出流域的河網(wǎng)水系空間分布規(guī)律。參考文獻(xiàn)：1JRabusB,EincdcrM,RolhA,etc.Hieshuttleradartopographymission-anewclassofdigitalelevationmodelsacquiredbyacebomeradar

18、.!S-PRSJournalofHi<Mogranimeln,andRemoteSensing.2003,57(4)：241-262.2J凌峰，王來，張儀文.SRTM無效數(shù)據(jù)填充及其在數(shù)字河網(wǎng)提取中的應(yīng)用.華中科技大學(xué)學(xué)報,2OO5,33(I2)：8587.(煽輯：常漢生)相對誤方/系統(tǒng)相對相對隨機(jī)設(shè)相關(guān)系數(shù)自里著性水平%誤割標(biāo)準(zhǔn)差不確定度(置由a=0.01相關(guān)大最小%齡信水平為95%)度系統(tǒng)益系值落湖0.00-8.81-4.962.214.430.9917280.46315.09-18.42-0.637.6815.360.9641310.418漲、做含15.09-18.42-2.696.1212.250.9981610.