注冊測繪師講義綜合 第二章第2節(jié) 海洋測量

1、第2節(jié) 海洋測量知識點1、技術(shù)設(shè)計 為了保證海洋測量工作順利開展，在測量實施前必須深入調(diào)查、收集資料，進行技術(shù)設(shè)計。技術(shù)設(shè)計的主要內(nèi)容(1)確定測量目的和測區(qū)范圍；(2)劃分圖幅及確定測量比例尺；(3)確定測量技術(shù)方法和主要儀器設(shè)備；(4)明確測量工作的重要技術(shù)保證措施；(5)編寫技術(shù)設(shè)計書和繪制有關(guān)附圖. 知識點2、控制測量海洋測量中的控制測量分為平面控制測量和高程控制測量。 1平面控制測量 建立平面控制網(wǎng)的傳統(tǒng)方法是三角測量和精密導(dǎo)線測量。隨著技術(shù)進步，傳統(tǒng)的三角測量技術(shù)逐步被gps控制測量技術(shù)替代。平面控制測量 技術(shù)設(shè)計工作一般分為資料收集和分析、初步設(shè)計、實地勘察、技術(shù)設(shè)計書編制等四個

2、階段。按照海道測量規(guī)范（gb 12327-1998）中關(guān)于平面控制精度的規(guī)定，海洋測量控制點分為?？匾患夵c（以hi表示）和海控二級點（以h2表示）以及測圖點（以hc，表示）。海控點的分布應(yīng)以滿足水深測量和海岸地形測量為原則。海洋測量平面控制基本要求和投影分帶規(guī)定見表2-2-1海控一、二級點布設(shè)的方法主要采用gps測量、導(dǎo)線測量和三角測量，測圖點可采用gps快速測量法，以及導(dǎo)線、支導(dǎo)線和交會法測定。其圖形布設(shè)要依據(jù)地形條件和儀器裝備情況而定。 海控點和測圖點的基本精度指標見表2-2-2。 用于平面控制的主要控制點應(yīng)采用常規(guī)大地測量的方法測定，其相對準確度為1/100 000。采用衛(wèi)星定位方法測定

3、控制點時，在置信度為95%時，定位誤差不超過10 cm。而不能用于發(fā)展平面控制的次級控制點，采用常規(guī)大地測量的方法測定時其相對準確度不得大于1/10 000，采用衛(wèi)星定位方法測定時不得大于50 cm。高程控制測量的方法主要有幾何水準測量、測距高程導(dǎo)線測量、三角高程測量、gps高程測量等。在有一定密度的水準高程點控制下，三角高程測量和gps高程測量是測定控制點高程的基本方法。電磁波測距三角高程測量可代替四等水準測量和等外水準，但三角高程網(wǎng)各邊的垂直角應(yīng)進行對向觀測。 用于三角高程起算的?？攸c、測圖點、驗潮水尺零點、工作水準點及主要水準點，均應(yīng)用水準聯(lián)測的方法確定其高程。用水準聯(lián)測高程時，必須起測

4、于國家等級水準點，根據(jù)所需的高程精度和測線長度決定施測等級。進行等級水準測量時，應(yīng)按相應(yīng)的國家水準測量規(guī)范執(zhí)行。驗潮站水準點與驗潮站水尺間的聯(lián)測，按等外水準測量要求施測。 利用gps手段進行高程測量時，應(yīng)對測區(qū)的高程異常進行分析。一般在地貌比較平坦的區(qū)域，已知水準點距離不超過15 km點數(shù)不少于4個；困難地區(qū)，水準點分布合理情況下不少于3個，解算出的未知點高程在滿足規(guī)范要求時可作為相應(yīng)等級的水準高程（外推點除外）使用。 知識點3、深度基準面的確定與傳遞1深度基準面確定目前世界上常用的基準面為深度基準面、平均海面和海洋大地水準面。 20世紀50年代初期，我國采用略最低低潮面作為深度基準面。195

5、6年后，我國采用理論最低潮面作為海圖深度基準面。 2深度基準面計算與傳遞 在海洋測量中，驗潮站的水位應(yīng)歸算到深度基準面（即理論最低潮面）上。長期驗潮站深度基準面可沿用已有的深度基準，由陸地高程控制點進行水準聯(lián)測，也可以利用連續(xù)1年以上水位觀測資料通過調(diào)和分析取13個主要分潮采用弗拉基米爾法計算。 短期驗潮站和臨時驗潮站深度基準面的確定可采用幾何水準測量法、潮差比法、最小二乘曲線擬合法、四個主分潮與l比值法， 知識點4、海洋測量定位海洋定位通常是指利用兩條以上的位置線，通過圖上交會或解析計算的方法求得海上某點位置的理論與方法。海上位置線一般可分為方位位置線、角度位置線、距離位置線和距離差位置線四

6、種。通常可以利用兩條以上相同或不同的位置線定出點位。目前海洋定位的方法主要有以下四種：光學(xué)定位，無線電定位、衛(wèi)星定位、水聲定位。1.光學(xué)定位 光學(xué)定位的方法主要有前方交會法、后方交會法、側(cè)方交會法和極坐標法等。2 無線電定位 3衛(wèi)星定位 衛(wèi)星定位是目前海上定位的主要手段。目前廣泛使用的仍然是gps衛(wèi)星定位，其基本觀測量又可分為碼相位觀測量和載波相位觀測量。差分衛(wèi)星定位是通過建立基準站，觀測計算并發(fā)送衛(wèi)星定位改正數(shù)，用戶站接收并對其測量結(jié)果進行改正，以獲得更為精確的定位結(jié)果。根據(jù)差分gps基準站發(fā)送的信息方式的不同可分為4類，即位置差分、偽距差分、相位平滑偽距差分、相位差分。 4水聲定位 通過聲

7、波的傳播路徑推求目標的坐標（位置），就是水下目標的聲學(xué)定位。用于水下目標定位的聲學(xué)系統(tǒng)即水聲定位系統(tǒng)，通常由船臺設(shè)備和若干水下設(shè)備組成。船臺設(shè)備包括一套具有發(fā)射、接收和測距功能的控制、顯示設(shè)備，以及安裝在船底或船后“拖魚”內(nèi)的換能器及水聽器陣。水下設(shè)備主要是聲學(xué)應(yīng)答器基陣，即固定設(shè)置在海底的位置已準確測定的一組應(yīng)答器陣列。 知識點5、水位觀測1海洋潮汐觀測 在海洋測繪中，根據(jù)作用不同，驗潮站分為長期驗潮站、短期驗潮站、臨時驗潮站和海上定點驗潮站。長期驗潮站是測區(qū)水位控制的基礎(chǔ)，主要用于計算平均海面，一般應(yīng)有2年以上連續(xù)觀測的水位資料； 短期驗潮站用于補充長期驗潮站的不足，與長期驗潮站共同推算確

8、定測區(qū)的深度基準面，一般應(yīng)有30天以上連續(xù)觀測的水位資料；臨時驗潮站在水深測量時設(shè)置，至少應(yīng)與長期站和短期站在大潮期間同步觀測水位3天，主要用于深度測量時進行水位改正； 海上定點驗潮站，至少應(yīng)在大潮期間與相關(guān)長期站或短期站同步觀測一次或三次24小時或連續(xù)觀測15天水位資料，用于推算平均海面、深度基準面以及預(yù)報瞬時水位，進行深度測量時的水位改正。 海上定點驗潮站，至少應(yīng)在大潮期間與相關(guān)長期站或短期站同步觀測一次或三次24小時或連續(xù)觀測15天水位資料，用于推算平均海面、深度基準面以及預(yù)報瞬時水位，進行深度測量時的水位改正。 水位觀測可采用水尺、井式自記驗潮儀、聲學(xué)或壓力式傳感器等專用設(shè)備實施。另外

9、，利用衛(wèi)星遙感、差分gps也可以進行水位觀測，國內(nèi)外許多實驗已經(jīng)取得很好的效果，這為運海潮汐觀測提供了新的手段。2聲速觀測海洋中聲波的傳播速度和海水介質(zhì)的鹽度、溫度、壓力有關(guān)特別是當海水溫度躍層存在時，由于折射，聲線方向的變化尤為顯著。同時溫度躍層也造成聲波反射，穿透躍層的能量大大減少。溫度躍層的存在，導(dǎo)致側(cè)掃聲吶和多波束探測成果失真，嚴重影響測量成果的質(zhì)量。 因此在側(cè)掃聲吶和多波束測量前，必須要對測區(qū)海水溫度躍層進行調(diào)查。海洋聲速測量海水聲速是水溫、鹽度和壓力的函數(shù)。3海流觀測 1潮流現(xiàn)象通常把由外海經(jīng)內(nèi)海向港灣流動的潮流稱為漲潮流；由港灣流向外海的潮流稱為落潮流。潮流在漲潮流與落潮流的轉(zhuǎn)變

10、時，流速較小，如流速為零稱為轉(zhuǎn)流。潮流以流向的變化可分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種。 凡通過測量聲速在某一固定距離上傳播的時間或相位，從而直接計算海水聲速的方法均為直接聲速測量。具體的聲速測量儀所依據(jù)的原理有脈沖時間法、干涉法、相位法和脈沖循環(huán)法等。潮流以流向的變化可分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種。 1)往復(fù)式潮流2)回轉(zhuǎn)式潮流2潮流觀測驗流點一般選擇在錨地、港口和航道人口及轉(zhuǎn)彎處、水道或因地形條件影響流向流速改變的地段，觀測內(nèi)容包括流速和流向。為更好地分離潮流，應(yīng)在風浪較小的情況下進行海流觀測，驗流期間應(yīng)對潮汐和氣象情況進行同步觀測。潮流觀測實施前，應(yīng)詳細了解測區(qū)潮流性質(zhì)，確定潮流觀測時間長度，半日潮港驗流

11、一般應(yīng)持續(xù)13小時以上，日潮港驗流一般應(yīng)持續(xù)25小時以上。另外，不同的應(yīng)用目的對潮流觀測方法和手段提出了不同的要求。(1)海道測量規(guī)范(gb 12327-1998)規(guī)定：半日潮港海區(qū)，驗流（潮流）時間應(yīng)選擇在農(nóng)歷初一、初二、初三或十六、十七、十八。日潮港海區(qū)選擇在月赤緯最大的前后回歸潮期間進行，也可以從潮汐表中選取最大潮日期進行。 往復(fù)流驗流必須測出景大漲、落潮流的流速、流向及時間，說明轉(zhuǎn)流時間與高低潮潮時的關(guān)系（如高潮后1 h15 min開始轉(zhuǎn)為落潮流）。驗流定位的計時精確到秒，流速精確到0.1節(jié)，流向精確到0.5。 (2)海港水文規(guī)范(jtj 213-98)規(guī)定：當采用準調(diào)和分析方法時，海

12、流連續(xù)觀測次數(shù)應(yīng) 不少于3次，分別選擇大、中、小潮日期進行。在一般的潮流分析中，可采用一次或兩次海流觀測資料，一次海流觀測應(yīng)在大潮日期進行，兩次海流觀測應(yīng)分別在大潮、小潮日期進行。 每次海流觀測應(yīng)持續(xù)25小時以上。當分析如風海流或波流等其他類型的海流時，應(yīng)在不同季節(jié)和不同氣象狀況下進行觀測；當分析河口區(qū)的徑流時，應(yīng)選擇在枯水期和洪水期分別進行觀測。 知識點6、水深測量深測量的主要技術(shù)方法有單波束與多波束回聲測深及機載激光測深等。水深測量主要工作流程包括水深數(shù)據(jù)采集、水深數(shù)據(jù)處理、水深成果質(zhì)量檢查、水深圖輸出等。 1 單波束測深單波束測深波束的指向性波束寬度和發(fā)射脈沖的寬度分別影響被測目標的方位

13、和深度分辨率。單波束測深儀數(shù)字化記錄和聲圖上的水深值，是由換能器底面至海底的深度值。換能器浸沒在海水中，由于測深儀設(shè)計轉(zhuǎn)速、聲速與實際的轉(zhuǎn)速、聲速不同，以及換能器的安裝等原因，需要對其進行吃水改正、基線改正、轉(zhuǎn)速改正及聲速改正等。 目前，對各項改正一般采用綜合處理，求取總改正對測量深度的影響，通常采用的改正方法包括校對法和水文資料法。校對法適用于小于20 m的水深。利用校準工具如帶有刻度電纜的水聽器、帶有刻度纜繩的比對板等，置于換能器下面一定深度處，讀取校對工具的入水深度，與測深儀的讀數(shù)相比較，差值為測深儀總改正數(shù)z。 水文資料法適用于大于20 m的水深，利用實測數(shù)據(jù)（包括各水層的溫度、鹽度、

14、深度）分別利用相應(yīng)的公式求取各改正數(shù)，最后求取測深儀總改正數(shù)。 2多波束測深多波束測深是一個復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)，主要由多波束聲學(xué)系統(tǒng)( mbes)、多波束采集系統(tǒng)(mcs)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍輔助傳感器等組成。 1多波束參數(shù)校正多波束測深系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種傳感器和換能器的安裝一般無法達到理論設(shè)計的要求，因此需要進行參數(shù)校正，通常有導(dǎo)航延遲、橫搖、縱搖和艏偏校正。 2.2.5.1)導(dǎo)航延遲校準測試2)橫搖校準測試3)縱搖校準測試4)艏偏校準測試 2多波束測量野外工作的實施多波束測深系統(tǒng)海上勘測實施的過程包括測前試驗、測前準備、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理四個部分。 多波束測深系統(tǒng)海上勘測實施的過程包括測前試

15、驗、測前準備、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理四個部分。 3多波束測深數(shù)據(jù)編輯多波束測深數(shù)據(jù)編輯計算方法主要有兩種，一種是投影法，另一種是曲面擬合法。 1)投影法多波束系統(tǒng)采集的水深數(shù)據(jù)是三維的，對測線數(shù)據(jù)進行編輯時，首先必須把水深數(shù)據(jù)投影到平面中去，然后才能進行編輯工作。投影方法主要有三種：沿測線前進方向投影、正交測線方向投影、垂直正投影。 測線前進方向投影，就是把水深點投影到與測線正交的平面上。正交測線方向投影是以時間為橫軸，水深為縱軸，在編輯界面上水深數(shù)據(jù)是以一個個波束的形式顯示的。垂直正投影是把測深數(shù)據(jù)按經(jīng)、緯度坐標位置投影到水平面上。在海底地形變化極其復(fù)雜的海區(qū)，需要在垂直正投影方式下進行進一步的

16、編輯。2)曲面擬合法海底地形一般是連續(xù)變化的，而多波束測量是全覆蓋的高精度測量，測量的資料能反映海底地形的全貌。根據(jù)這一特點，用一定的曲面擬合海底面，超出曲面一定范圍的數(shù)據(jù)點稱為躍點，應(yīng)該剔除掉。曲面擬合常用的計算方法有貝濟埃(bezier)方法、b樣條方法、最小二乘法擬合等。 3機載激光測深機載激光海洋測深技術(shù)是一種近二三十年快速發(fā)展起來的海洋測深技術(shù)。激光作為一種新型的探測光源，具有單色性高、方向性強、相干性好、強度大等特點。利用綠光或藍綠光易穿透海水，而紅外光不易穿透海水的特點，用光激射器、光接收機、微機控制、采集、顯示、存儲及輔助設(shè)備組成機載激光測深系統(tǒng)。 在飛機平臺上安裝光激射器向海

17、面發(fā)射兩種不同波長的激光，一種為波長1 064 mm的脈沖紅外光，另一種為波長532 mm的綠光。紅外光被海面完全反射和散射，而綠光則能夠透射至海水中，經(jīng)水體散射、海底反射和光接收器分別接收這些反射光，組成探測回波信號波形， 探測并數(shù)字化處理回波信號（對每一個測深點，可獲得一個激光波形，其上有兩個與海面和海底相應(yīng)的光波脈沖強度頂點，獲取兩頂點接收到回波脈沖時的時間和時間差），就可以得到機高和水深數(shù)據(jù)信息。對于不同的機載激光海洋測深系統(tǒng)，所選用的光激射器發(fā)射的紅外光和藍綠光的波長也稍有不同。 海水對不同波長的激光吸收也相差很大，其中波長為520535 mm的藍綠光波段被稱為“海洋光學(xué)窗口”，海水

18、對此波段的光吸收相對最弱。另外，海表面的波浪、潮汐、水體中懸浮物的類型數(shù)量、底質(zhì)的反射散射特性、入射角和強度、光接收機的時間分辨率、飛機的姿態(tài)特征等因素及它們的相互作用直接影響最大測量水深和測深精度。 機載激光系統(tǒng)測深能達50 m，假如海水清澈則可更深。機載激光測深系統(tǒng)對水下障礙物的分辨能力在短時間內(nèi)不會達到側(cè)掃聲吶的水平。目前對于2 m2以上的水下障礙物的探測可信度較高，再小的物體就較難有效的探測。 由機載激光測得的航行障礙物應(yīng)當用單波束回聲測深儀、多波束回聲測深儀或高密度機載激光系統(tǒng)進行探測?？梢灶A(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機載激光測量系統(tǒng)一定會在海岸帶快速測量中發(fā)揮越來越大的作用。 知

19、識點7、測線布設(shè)測線是測量儀器及其載體的探測路線，分為計劃測線和實際測線。水深測量測線一般布設(shè)為直線，又稱測深線。測深線分為主測深線和檢查線兩大類。主測深線是實施測量的主要測量路線，檢查線主要是對主測深線的測量成果質(zhì)量進行檢測而布設(shè)的測線。 測線布設(shè)的主要因素是測線間隔和測線方向。測深線的間隔根據(jù)測區(qū)的水深、底質(zhì)、地貌起伏狀況，以及測圖比例尺、測深儀器覆蓋范圍而定，以既滿足需要又經(jīng)濟為原則。對單波束測深儀而言，主測深線間隔一般采用為圖上10 mm，在海上養(yǎng)殖區(qū)域主測深線間隔可適當放寬。 多波束測深系統(tǒng)的主測線布設(shè)應(yīng)以海底全覆蓋且有足夠的重疊帶為原則，其檢查線應(yīng)當至少與所有掃描帶交叉一次，以檢查

20、定位、測深和水深改正的精度，兩條平行的測線外側(cè)波束應(yīng)保持至少20%的重疊。 測深線方向是測深線布設(shè)所要考慮的另一個重要因素，測線方向選取的優(yōu)劣會直接影響測量儀器的探測質(zhì)量。選擇測深線布設(shè)方向的基本原則：有利于完善地顯示海底地貌，有利于發(fā)現(xiàn)航行障礙物，有利于工作。對于多波束測深，還要考慮測量載體的機動性、安全性、最小測量時間等問題。 知識點7、測線布設(shè)測線是測量儀器及其載體的探測路線，分為計劃測線和實際測線。水深測量測線一般布設(shè)為直線，又稱測深線。測深線分為主測深線和檢查線兩大類。主測深線是實施測量的主要測量路線，檢查線主要是對主測深線的測量成果質(zhì)量進行檢測而布設(shè)的測線。 測線布設(shè)的主要因素是測

21、線間隔和測線方向。測深線的間隔根據(jù)測區(qū)的水深、底質(zhì)、地貌起伏狀況，以及測圖比例尺、測深儀器覆蓋范圍而定，以既滿足需要又經(jīng)濟為原則。對單波束測深儀而言，主測深線間隔一般采用為圖上10 mm，在海上養(yǎng)殖區(qū)域主測深線間隔可適當放寬。 多波束測深系統(tǒng)的主測線布設(shè)應(yīng)以海底全覆蓋且有足夠的重疊帶為原則，其檢查線應(yīng)當至少與所有掃描帶交叉一次，以檢查定位、測深和水深改正的精度，兩條平行的測線外側(cè)波束應(yīng)保持至少20%的重疊。 測深線方向是測深線布設(shè)所要考慮的另一個重要因素，測線方向選取的優(yōu)劣會直接影響測量儀器的探測質(zhì)量。選擇測深線布設(shè)方向的基本原則：有利于完善地顯示海底地貌，有利于發(fā)現(xiàn)航行障礙物，有利于工作。對

22、于多波束測深，還要考慮測量載體的機動性、安全性、最小測量時間等問題。 3聲速改正 對于單波束測深來說，聲速誤差僅影響測點的深度，在未實測聲速剖面的情況下，通常在現(xiàn)場利用已知水深比對來對實際聲速值進行改正。對于多波束測深，通常用現(xiàn)場實測聲速剖面采用聲線跟蹤對波束進行精確歸位，但由于以點代面的實測聲速剖面對不同區(qū)域可能存在誤差，因此有時還需進行聲速后處理改正。 多波束聲速改正后處理方法可分為兩大類。第一類是以改變聲速剖面為思路的處理方法，它涉及對多波束折射路徑的重新計算，在已知各波束的發(fā)射角和旅行時之后，運用新的更準確的聲速剖面，進行各波束的入射角、旅行時向測點的空間位置的轉(zhuǎn)換，其方法與實時采集聲

23、速改正的時空轉(zhuǎn)換方法一致。 第二類方法為幾何改正法，在無法確知聲速結(jié)構(gòu)時采用，通過對波束在測深橫剖面上的疊加統(tǒng)計，用幾何旋轉(zhuǎn)的方法改正地形畸變，或者借助于等效聲速剖面的原理以及重疊區(qū)地形一致的原理，重新對波束歸位。4水位改正 為了正確地表示海底地形，需要將瞬時海面測得的深度，計算至平均海面、深度基準面起算的深度，這一歸算過程稱潮位改正或水位改正。水位改正中，水位改正值的空間內(nèi)插是由潮差比、潮時差與基準面偏差的空間內(nèi)插而實現(xiàn) 的。水位改正可根據(jù)驗潮站的布設(shè)及控制范圍，分為單站改正、雙站改正、多站改正。 5測深精度海道測量規(guī)范(gb 12327-1998)規(guī)定的水深測量極限誤差（置信度95%）見表

24、2-24。國際海道測量組織(iho) 1998年推出了海道測量標準（s-44）第四版，它根據(jù)不同海區(qū)對航海安全的重要程度，制定了4種不同的定位和測深精度要求（見表2-2-5），不僅適用于單波束測深，也是多波束測深的國際通用技術(shù)標準。知識點9、海道和海底地形測量海道測量除了獲得水深、水文等基本信息外，還需要對影響船舶航行和錨泊的其他要素進行觀測，包括障礙物探測、助航標志測量、底質(zhì)探測、灘涂及海岸地形測量等。1 障礙物探測 航行障礙物探測是海道測量工作的重要內(nèi)容之一。為了保證船只的航行安全以及海洋工程的需要，對危及船只航行安全的障礙物如礁石、沉船、淺地等均應(yīng)準確測定其分布、性質(zhì)、大小、位置等。航行障礙物探測的主要方法有側(cè)掃聲吶探測、多波束探測、單波束加密探測、掃海具掃測、磁力儀探測等。各類障礙物位置至少應(yīng)有一組多余觀測，且其位移不得大于5m，取中數(shù)作為最終位置。對能夠探測到的航行障礙物要詳細探明其性質(zhì)、特征；對新探測的海底地物，還應(yīng)采用其他方法進一步探測確認。 聲吶圖像的質(zhì)量與拖魚的高度、速度、背景噪聲以