第三章 水下地形测绘.ppt

1、第三章 水下地形测绘,本章主要内容： 1、水下地形测绘精度要求与技术设计 2、测点平面位置的测定 3、水深测量 4、水位观测与水位改正 5、水深测量数据处理与成图,水下地形测绘的目的： （1）建设现代化的深水港，开发国家深水岸段和沿海、河口及内河航段，已建港口回淤研究与防治等需要高精度的水下地形图。 （2）在桥梁、港口码头以及沿江河的铁路、公路等工程的建设中也需要进行一定范围的水下地形测量。 （3）海洋渔业资源的开发和海上养殖业等都需要了解相关区域的水下地形。 （4）海洋石油工业及海底输油管道、海底电缆工程和海底隧道以及海底矿藏资源的勘探和开发等，更是离不开水下地形图,续,5）江河湖泊及水库区

2、域的防洪、灌溉、发电和污染治理等离不开水下地形图这一基础资料。 （6）在军事上，水下潜艇的活动、近海反水雷作战兵力的使用、战时登陆与抗登陆地段的选择等，其相关区域的水下地形图使作战指挥人员关心的资料。 （7）从科学研究的角度上看，为了确定地幔表层及物质结构、研究板块运动、探讨海底火山爆发与海啸等，也需要水下特殊区域的地形图。 （8）为了进行国与国之间的海域划界工作，高精度的海底地形图是必备的,3-1 精度要求与技术设计,一、精度要求 由测点的测深精度和定位精度决定。测深精度目前有海道测量规范、海洋工程地形测量规范水运工程测量规范、IHOS-44等标准。下表为1999年版国家标准海道测量规范规定

3、的深度测量极限误差,国际海道测量组织,IIHO国际海道测量组织,对于定位精度的要求，通常是根据测图比例尺和项目的特定要求来规定，基本要求应满足下表规定：定位中心应尽可能与测深中心一致，当二者之间的水平距离不大于定位精度要求的1/2时，应将定位中心归算到测深中心,主测线与检查线的重合点水深值比对是检查水深测量的主要指标。主测线、检查线点位图上距离1.0 mm内的重合深度点深度不符值限差规定见下表，当超限的点数超过参加比对点总数的25%，或图幅拼接的点位水深比对超限时应重测,二、技术设计 （一）实地勘察 主要了解测区的社会情况、自然地理、水文气象、交通运输、物资器材供应、测船工作及生活条件、测船停

4、靠码头及避风锚泊条件、测区已知控制点和水准点情况（位置、标志类型、保存情况）、水位观测站站位和设站条件等等,二）制定技术设计书（包技术说明书和图表） 技术说明书内容有：任务的来源、性质、技术要求，测区的自然地理特点，技术设计的依据及原有测量成果的采用情况；控制点的等级、标石类型及数量、水深测量图幅、测深面积及障碍物的大致分布情况；作业所需的各种主要仪器设备、器材、船只类型及数量；根据测区地理气象及装备条件，确立的不同测区的作业效率测量作业的工作量、作业天数及时间安排；技术人员选定及分工；作业方法及注意事项，以及一些具体技术指示等,技术设计书图表内容有：控制测量设计图应标出已知点和待测点的位置、

5、名称和等级；水准测量起点和待测点的名称、联测路线、测量等级等；水深测量设计图应标出测区范围、测图分幅编号、比例尺、水位观测站名称和位置及附近重要城镇和道路的名称；海岸地形测量设计图应标明测量比例尺及实测、修测范围；附表包括技术说明书中各种统计表格等,三）测线布设 主要考虑测线间距和测线方向。 测深线间的距离大小应顾及测区的重要性、水底地貌特征和水深等因素。对于单波束水深测量来说，测线间最大距离要求见下表,测线方向的布置对采用单波束测深仪或是多波束测深仪是不同的。原则上，采用单波束测深仪时，主测线应垂直等深线方向布设；采用多波束测深仪时，主测线应大致平行于等深线方向布设。 为了检查测深与定位是否

6、存在系统误差或粗差，衡量测量成果的质量，需要布设检查线，检查线应与主测线垂直，分布均匀，分布在较平坦处，检查线一般应占主测线总长的5%10,3-2 水下测量点的平面定位方法,一、经纬仪前方交会定位 两台经纬仪同时照准目标、且与水深测量同步,二、经纬仪后方交会定位 适合水速较小、测图比例尺较小,三、全站仪定位 直接由岸上全站仪测定目标（测船）的平面位置，与水深测量同步,续,四、GPS定位 （一）单点定位 定位精度为几米到几十米，适合小比例尺水下地形图的测绘； （二）差分GPS定位（DGPS）-Differential GPS DGPS系统主要由基准台（基准站）的GPS接收机、数据处理与传输设备

7、以及移动站GPS接收机组 成。随着测船与基准站距 离的增加误差增大 1cm/km(非实时,三） RBN-DGPS定位 RBN-DGPS就是Radio Beacon Differential GPS 该系统需设多个基准站，以构成基准站网，也称局域DGPS（LADGPSLocal Area DGPS）。系统利用无线电标台站向移动台播发差分改正信息，移动台用此信息对其接收的GPS定位信息进行实时修正，以确定其精确位置。 目前，由交通部在我国沿海建立的RBN-DGPS定位系统可以覆盖我国近岸向海约400km，向陆地约100km的范围，定位精度约25m,四）WADGPS定位 DGPS定位的精度随移动站与

8、基准站距离的增加而降低，LADGPS定位系统在覆盖范围内精度较均匀，但在覆盖区域以外，系统也难以保证更高定位精度要求的测量工作。WADGPS（Wide Area DGPS）广域差分GPS定位系统是一种覆盖范围更广的精密定位系统。该系统主要由监测站、主站、数据链和用户设备组成。一般的DGPS提供给用户的是一组伪距或坐标改正数，而WADGPS提供给用户的改正数是每颗可见GPS卫星的卫星星历和钟差改正数，以及电离层延迟参数。 在WADGPS覆盖区域内，改正数的精度比较均匀，可达到亚米级或更高的定位精度,五）GPS RTK定位 GPS RTK定位是一种高精度实时动态载波相位差分定位技术，由基准站、移动

9、站及RTK差分数据链组成。 它的定位原理是:将基准站采集的载波相位发给移动台,进行求差解算移动台的坐标(X、Y、H) ,也可以将基准站的载波相位修正值(差分值) 发给移动台,改正移动台接收到的载波相位,再解算移动台的坐标(X、Y、H) 。 采取以上的差分定位方法,其平面(X、Y) 的定位 精度可以达到2 cm ,而高程H 的测量精度可以达到 5 cm ,这样的精度是非常高的,完全可以满足大比例 尺的测图要求及工程上的应用。作用距离10-20km,ZP=ZZ0（Hh,利用GPS RTK定位技术可实现无水位观测的水下地形测量。如图,ZP绘图水深； HRTK测得的相对基准 面的高程； H-h 瞬时水

10、面至深度基准面的高度，即水位值,六）无线电定位 该方法是根据距离或距离差来确定测船位置，具有精度高、操作方便、不受通视和气候条件的影响。 1）圆系统定位,2)双曲线系统定位(时间差定位,如下图，A、B、C是岸上三个无线电发射台（A为主、B、C为副）测船P设置无线电定位仪。由解析几何知，一动点到两定点距离之差为定值时，其轨迹为双曲线。 P点至A、B两点距离D1=Vt1，D2=Vt2； 距离差：D2-D1=V（t2-t1）=300 t (V= 300m/s,双值问题,3-3 水深测量 主要有回声测深仪、多波束测深仪及近几年发展起来的机载激光测深系统,一、水深测量的简单工具 测深杆（下部有铁底板），

11、适用于水深5m以内且流速不大的浅水区； 测深绳（锤），锤的重量3.5kg5kg，适合水深较大的区域（20m以内）、船速小、水流速小、水底底质较硬的条件。 在测深杆或测深绳上一般每10cm作一标记，以便读数,二、单波束测深仪测量（回声测深仪、测深声呐） 原理：测量声波由水面至水底往返的时间间隔，从而推算出水深：H=S+h 其中：S= vt / 2； h换能器吃水参数。 v为超声波在水中的传播速度，约为1500m/s,S,H,h,三、多波束测深仪 声呐阵列测深系统也称条带测深系统, 单波束测深仪只能沿测线测量水深值，而多波束测深仪是一种能够一次给出与航向垂直的剖面内几十个甚至上百个水下测点水深值的

12、测量仪器。与传统的单波束测深仪比较，多波束测深仪具有测量范围大、速度快、精度高、记录数字化以及成图自动化等优点，它把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，从而使水下地形测量技术发展到一个较高的水平。高精度多波束测深系统具有“水下摄影机”、“水下CT”之称,多波束测深系统的工作原理： 工作时换能器阵列向测船航向的垂直方向发射多个俯角不同的声波束。每个波束的水平、垂直开角都很小，目前国际上各种型号的多波束测深系统波束开角都在13.5之间，波束个数在16-150个不等，数据采集系统记录各个波束的回波信号，计算水深,前进方向,这样多波束测深系统就将单波束测深仪，测量船每跑一条线只

13、能获得一条测深线水深信息，变成能获取多条线的水深信息。由于声波在水中的传播受水介质理化特性的影响，在船正下方左右各45开角的范围内，测深精度较高，超出此范围，精度将受到不同程度的影响。另外，从原理上可以看出，多波束记录的每个信号只是反映了该波束水底反射信号的平均强度值,该系统测量以带状方式进行，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100%覆盖，与单波束比较，波束角窄，对细微地形的变化都能完全反映出来，单波束是点、线的反映，而多波束则是面上的整体反映,多波束的应用前景 由于多波束测深设备与常规单波束回声测深仪相比，具有全覆盖、无遗漏的优势，在精度、分辨率与水下地形成象质量上有大幅度的

14、提高，改变了传统的水下地形测量技术按比例尺作业的模式，该系统正在为海洋和内河测绘带来一次技术革命，在江河、水库、湖泊、海洋水下地形测绘，堤防护岸，港口、大坝监测，海底电缆、管线、隧道以及沉船、水下物体打捞搜寻等方面具有广阔的应用前景,目前有利用水下载人潜水器、水下自治机器人(AUV：Autonomous Underwater Vehicle)或遥控水下机器人(ROV：Remotely Operated Vehicle)，集成多波束系统、侧扫声纳系统等船载测深设备，结合水下DGPS技术、水下声学定位技术实现水下地形测量的思想和方法。 水下机器人因可以接近目标，利用其荷载的测量设备，可以获得高质量

15、的水下图形和图像数据。目前使用的潜水器以自动式探测器最先进，探测器内装有水声定位系统,四、 基于水下机器人的水下地形测量,早期的载人潜水器和法国的Nautile 载人潜水器,一般讲，采用水下潜水器进行水下地形测量工作同用水面船只测量的手段和方法大致一样。只是在水下测量时，需要测定潜水器本身的下沉深度。因此，一般需要使用液体静力深度计和向上方向的回声测深仪,一些技术比较先进的国家在潜水器上安装了水下立体摄影机。这种随潜水器运动的水下立体摄影测量，在某种程度上同航空摄影地形测量工作原理一样。 由机器人深潜水下，在接近水底时用水下摄影的方式获得水下目标的图像,由于受水的透明度和照明情况，仪器离海底的

16、高度等因素的局限，水下立体摄影测量方法效率低和困难较大,水下摄影测量,进行海底地形测量，最有前途的方法还是利用具有高分辨率的声学系统。声学系统由超声波发射器、水声接收机和电视显示器所组成。 将多波束、高精度测深侧扫声纳等声呐扫测设备安装在潜航器上，也可以实现对海底的高精度测量，如我国大洋一号上的6000米水下自治机器人AUV系统安装了测深侧扫声纳、浅地层剖面仪等设备，用于大洋的海底地形地貌调查。 水下电视摄像系统、水下数字摄像系统是目前获取在水下环境清晰图像的主要方法，扫海测量中，配置水下数字摄像系统有助于障碍物性质的判断，提高扫测能力,激光测深的原理与双频回声测深原理相似，从飞机上向海面发射

17、两种波段的激光，一种为红光，波长为1064nm，另一种为绿光，波长为523nm。红光被海水反射，绿光则透射到海水里，到达海底后被反射回来。这样，两束光被接收的时间差等于激光从海面到海底传播时间的两倍，由此可算得海面到海底的深度,激光测深的公式为,式中：c 为光速；n 为海水折射率； t为所接收红外光与绿光的时间差,LIADR测量原理,五、机载激光测深（LIDAR,一、水位改正 在进行水深测量时，测深仪测得的深度是由瞬时水面起算的，由于水面受水位或潮位的影响不断变化，同一地点在不同水位时测得的水深是不一致的。 因此，必须对测得的水深做水位改正，将测量水深值改正到从规定的深度基准面起算的深度。 测

18、深与高程系统的联系，一般通过水位观测实现。应在水深测量的同时进行水位观测。在水位观测中，可根据测区的特点和测量目的选择深度基准面,3-4 水位改正和水位观测,水位改正将测量水深值改正到从规定的深度基准面起算的深度。 深度基准面水下地面点竖向位置的描述可使用与陆地同样的高程系统，由此得到水下地形图。但有时需用水深描述水下地面点竖向位置，则得到用等深线表示的水深图或海图。水深计算的起算面称为深度基准面。 水位指水面相对于某一高程基准面的高程。 水位观测为确定水位而进行的测量,关于深度基准面的问题： 水下地面点竖向位置的描述可以使用与陆地同样的高程系统，由此得到水下地形图。但有时需要水深描述水下地面

19、点竖向位置，则得到用等深线表示的水深图或海图。水深计算的起算面称为深度基准面,水深图主要服务于航运，因此深度基准面的确定非常重要。在我国海洋、港湾和河口以往主要采用最低潮面，从1956年开始采用理论深度基准面（理论上可能出现的最低潮面）；在内河及湖泊采用最低水位、平均低水位或设计水位等作为深度基准面,设计水位又称为江河航道设计水位，其确定方法主要有三种： （1）多年最低水位平均值法。 （2）多年平均保证率法，即取多年日平均水位历时曲线上与通航保证率相应的水位。 （3） 频率法，如用流量频率法，即以不能通航的天数为准，在各年流量过程线上找出相应的流量作为随机变量，绘出理论累积频率曲线，从其上查处

20、规定频率相应流量曲线作为设计流量，再在水位流量关系曲线上查得对应此流量的水位，即为设计水位。 水下某地面点A的水深值SA等于深度基准面位置H0与A点高程HA之差，即 SA=H0-HA,水位观测过程中采用以“点”带“面”的水位改正方法，水位改正方法主要有单站水位改正法、线性内插法、水位分带法、时差法和参数法等,水位改正,单站水位改正法,为求得不同时刻的水位改正数，一般采用图解法和解析法。 图解法就是绘制水位时间曲线图，横坐标表示时间，纵坐标表示水位改正数,解析法就是利用计算机以观测数据为采样点进行多项式内插来求得测量时间段内任意时刻的水位改正数的方法,线性内插法,线性内插法的假设前提是两站之间的

21、瞬时海面为直线形态。此法也同样适应三站的情况，其基本数学模型为,两站水位改正数模,三站水位改正数模,三点水位变化在不同时刻位于同一平面上,水位分带改正法(分带法,水位分带改正法分为两站水位分带改正、三站水位分带改正(又称三角分带)。 以两站水位分带改正法为例来介绍: 水位分带的实质就是利用内插法求得测区的水位改正数，与线性内插法不同，分带所依据的假设条件是两站之间潮波传播均匀，潮高和潮时的变化与其距离成比例,分带条件： 当测区有图时，可以判断主要分潮的潮波传播是否均匀，来确定分带与否。 若测区无潮波图时，可根据海区自然地理(海底地貌、海岸形状等)条件，以及潮流等因素加以分析。 分带的基本原则：

22、 分带的界线方向与潮波传播方向垂直。 分带原理： 具体分为几带是由具体情况决定。两验潮站之间的水位分带数由下式确定,式中：K 为分带数；z为测深精度；为两验潮站深度基准面重叠时，同一时刻两验潮站间的最大水位差,时差法,时差法水位改正是水位分带改正法的合理改进和补充。其所依赖的假设条件是两验潮站之间的潮波传播均匀，潮高和潮时的变化与其距离成比例。 时差法是运用数字信号处理技术中互相关函数的变化特性，将两个验潮站A、B的水位视作信号，这样研究A、B站的水位曲线问题就转化为研究两信号的波形问题，通过对两信号波形的研究求得两信号之间的时差，进而求得两个验潮站的潮时差，以及待求点相对于验潮站的时差，并通

23、过时间归化，最后求出待求点的水位改正值,参数法,参数法直接从潮汐水位曲线的整体变化入手，采用最小二乘拟合逼近技术，不仅求出两验潮站的潮时差，还求出了两验潮站的潮差比和基准面偏差。 基本原理：令所取A、B两站的水位观测值为整点观测值hA(i)、hB(i)，则同步观测N天，便有24 N个观测值。两组观测值可画成两条水位曲线如下图,其中，x为垂直比例系数，表示两站间的潮差比(潮高比)； y为水平延迟系数，表示两站间的潮时差；z为基准面偏差,将两曲线移动，并适当放大或缩小，使两个水位曲线吻合。则建立如下数学模型,两曲线比较示意图,将上式改为计算的离散化格式,根据最小二乘原理,其中：F 为设计矩阵，第i

24、 行元素为,L为闭合差矩阵，第i 行元素为,解出x、y、z后，可得关系值,二、水位观测 为了水深测量时进行水位改正，必须在水深测量时同步进行水位观测工作。为此，需要在测区布设足够的水位观测站。在海洋测量时，水位观测站也称为潮位观测站或验潮站,黄河水位观测点。 通过这里的水位观测， 向国家防总报汛,水位观测站的类型有以下几种： （1）长期站。主要用于计算平均水(潮)位面，一般应有两年以上连续观测的水位资料； （2）短期站。用于补充长期验潮站的不足，与长期验潮站共同推算测区的深度基准面，一般应有30天以上连续观测的水位资料； （3）临时验潮站。在水深测量时设置，用于测量项目的水位改正； （4）海上

25、定点验潮站。至少应在大潮期间（良好海况下）与相关长期站或短期站同步观测1次或3次24h或连续观测15天水位资料，用于推算平均海面、深度基准面以及预报瞬时水位，用于深度测量时的水位改正,水位观测站设置： 水位观测站附近应埋设工作水准点或水准点标志。 工作水准点应设在水尺附近，以便经常检查水尺零点的变动情况。工作水准点应设在高水（潮）位线以上、地质比较坚固稳定、易于进行水准联测的地方。 工作水准点与国家水准点 之间的高差，按四等水准测量 要求，工作前后各测一次，亦 可用GPS高程测量方法测定工 作水准点的高程,水位观测 水位观测一般采用水尺、自动验潮（水位观测）仪或水位计进行。 在用水尺观测水位时

26、，水尺最好固定在直立的码头壁或牢固的桩柱上。设立水尺时，尽量选在避风和便于观测的地方。 水尺设立要求牢固、垂直于水面，高水位不淹没，低水位不干出。当岸滩坡度较缓或因潮差太大，一根水尺不能满足水位观测要求时，可以设立两根或两根以上的水尺，相邻两根水尺应有0.3m的重叠,水位观测,水位观测,水位观测 水尺中至少有一根水尺零点与工作水准点之间的高差是用等外水准测定，其它各水尺零点之间的高差可在海面平静时，用水面水准或等外水准方法测定。 水面水准法要求各水尺每隔10min同时进行一次读数，连续读数三次，其高差不超过3cm时，取中数使用，超限者应重测,三、河流断面测量观测水位的要求 在河流断面测量中，当

27、测区有显著的水面比降时，应分段设立水尺进行水位观测，按上下游两个水尺读得的水位与距离成正比内插测深时的工作水位。 比降，亦称坡降、坡度。指水面水平距离内垂直尺度的变化，以千分率或万分率表示。 河段水面沿河流方向的高程差与相应的河流长度相比，称之为水面的纵比降。由于地球自转和河道弯曲处离心力的作用，河道横断面的水面也不平，左右岸水面的高程差与之相应断面的河宽之比，称之水面的横比降。 水位观测的时间间隔，一般按测区水位变化的大小而定。当水位的日变化小于10cm时，每次测深前、后各观测一次，取平均值作为测深时的工作水位。在受潮汐影响的河段，每隔1030min观测水位一次,在编制河流纵断面图和计算水面

28、比降时，需要河流在同一时间的各点水面高程，这些高程通常称为同时水位（或瞬时水位、假定水位）。 两点间的同时水位之差称为落差，它是由于河床高度的变化所产生的水位的差数,3-5 水下地形图测绘 一、测深断面线和断面点的设计与布置 测深断面线的方向一般与河流主流或岸线垂直，在河道转弯处，可布设成扇形。 测深断面线一般规定在图上每隔12cm布设一条，测深点的间距一般在图上为0.60.8cm，见下表,二、水下地形测量方法 断面方向的确定：仪器（工具）、目估，一般在岸上设立两个标志进行瞄准定向。 外业结束后，内业工作主要内容有： （1）将外业测角和测深数据汇总并逐点核对； （2）由水过观测结果和水深记录计

29、算各测点高程。 （3）展绘各点位置，注记相应高程。 （4）在图上勾绘等高线或等深线表示出水下地形的起伏,一）纵断面：纵断面是指河底高程沿河长的变化，一般用纵断面图表示。以河长为横坐标，河底高程为纵坐标绘制而成的图为河槽的纵断面图。纵断面图表示河流的纵坡和落差的沿程分布。它是推算水流特性和估算水能蕴藏量的主要依据。 河道纵断面可用测量方法作出，在测出泓线上河底若干地形变化的转折点的高程与各点之间的距离后，以河长为横坐标，以河底高程为纵坐标，即可绘出纵断面图，河道的纵断面图可以表示河流的纵坡及落差的沿程分布，也是计算水能蕴藏量的主要依据,三、河道纵、横断面图的绘制,二）横断面：横断面是指垂直于流向

30、的断面。两边以河岸为界，下面以河底为界。分单式及复式两种，单式端面水面宽度随水深的变化没有突变点，是连续变化的，而复式断面水面宽度随水深的变化有突变点，是不连续的。枯水期水流通过的部分称基本河槽。在洪水期淹没的部分称河漫滩。 河流横断面是决定河道过水能力、流速分布、河流横比降和计算流量的重要因素，是计算流量的主要依据,三）纵断面图的绘制步骤如下： 1、量取河道里程：在已有的地形图上，沿河道深泓线从上游（或下游）某一固定地物或建筑物（如桥、坝、水文站、水位站等）开始起算，向下游（或上游）累计，量距读数取至图上0.1mm。 2、换算同时水位：为了在纵断面图上绘出同时水位线，应计算出各点的同时水位（瞬时水位）；通常是根据工作水位（观测水位）进行换算。如下图,图中，HA、HB和Hm分别为某一日期上游水位站A，下游水位站B和中间任一水位站M测得的工作水位。 下面介绍如何将M点的