第三章水下地形测绘介绍

1、2021/2/61 第三章第三章 水下地形测绘水下地形测绘 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 2021/2/62 水下地形测绘的目的水下地形测绘的目的: （1）建设现代化的深水港）建设现代化的深水港,开发国家深水岸段和开发国家深水岸段和 沿海、河口及内河航段沿海、河口及内河航段,已建港口回淤研究与防治等已建港口回淤研究与防治等 需要高精度的水下地形图。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）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

2、范围的水下地形测路等工程的建设中也需要进行一定范围的水下地形测 量。量。 （3）海洋渔业资源的开发和海上养殖业等都需）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。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）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。更是离不开水下地形图。 续续 2021/2/63 （5）江河湖泊及水库区域的防洪、灌溉、发电和）江河湖泊及水库区域的防洪、灌溉、发电和 污染治理等离不开水下地形图这一基础资料。污染治理等离不开水

3、下地形图这一基础资料。 （6）在军事上）在军事上,水下潜艇的活动、近海反水雷作战水下潜艇的活动、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兵力的使用、战时登陆与抗登陆地段的选择等,其相关其相关 区域的水下地形图使作战指挥人员关心的资料。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）从科学研究的角度上看,为了确定地幔表层及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物质结构、研究板块运动、探讨海底火山爆发与海啸 等等,也需要水下特殊区域的地形图。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）为了进行国与国之间的

4、海域划界工作,高精度高精度 的海底地形图是必备的。的海底地形图是必备的。 2021/2/64 3-1 3-1 精度要求与技术设计精度要求与技术设计 一、精度要求一、精度要求 由测点的测深精度和定位精度决定。由测点的测深精度和定位精度决定。测深精度测深精度目目 前有前有海道测量规范海道测量规范、海洋工程地形测量规范海洋工程地形测量规范 水运工程测量规范水运工程测量规范、IHOS-44IHOS-44等标准。下表为等标准。下表为 19991999年版国家标准年版国家标准海道测量规范海道测量规范规定的深度测量规定的深度测量 极限误差。极限误差。 测深范围测深范围Z/m极限误差极限误差/m 0Z200.

5、3 20Z300.4 30Z500.5 50Z1001.0 Z100Z 2% 国际海道测量组织 IIHO国际海道测量组织 , 2021/2/65 对于对于定位精度定位精度的要求的要求, ,通常是根据测图比例尺和通常是根据测图比例尺和 项目的特定要求来规定项目的特定要求来规定, ,基本要求应满足下表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定位中心应尽可能与测深中心一致, ,当二者之间的水当二者之间的水 平距离不大于定位精度要求的平距离不大于定位精度要求的1/21/2时时, ,应将定位中心应将定位中心 归算到测深中心。归算到测深中心。 测图比例尺测图比例尺 定位点点位中误差

6、定位点点位中误差 图上限差图上限差/mm 1:200 1:500 2.0 1:5000 1.5 1:5000 1.0 2021/2/66 主测线与检查线的重合点水深值比对是主测线与检查线的重合点水深值比对是检查水深检查水深 测量的主要指标测量的主要指标。主测线、检查线点位图上距离。主测线、检查线点位图上距离1.0 1.0 mmmm内的重合深度点深度不符值限差规定见下表内的重合深度点深度不符值限差规定见下表, ,当超当超 限的点数超过参加比对点总数的限的点数超过参加比对点总数的25%25%, ,或图幅拼接的点或图幅拼接的点 位水深比对超限时应重测。位水深比对超限时应重测。 水水 深深 （m）深度

7、比对互差（深度比对互差（m） 200.4 200.02 水深值水深值 2021/2/67 二、技术设计二、技术设计 （一）实地勘察（一）实地勘察 主要了解测区的社会情况、自然地理、水文气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、象、交通运输、物资器材供应、测船工作及生活条件、 测船停靠码头及避风锚泊条件、测区已知控制点和水测船停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。站站位和设站条件等等。 2021/2/68 （二）制定技术设计书

8、（包技术说明书和图表）（二）制定技术设计书（包技术说明书和图表） 技术说明书技术说明书任务的来源、性质、技术要求任务的来源、性质、技术要求, , 测区的自然地理特点测区的自然地理特点, ,技术设计的依据及原有测量成果技术设计的依据及原有测量成果 的采用情况的采用情况; ;控制点的等级、标石类型及数量、水深测控制点的等级、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量图幅、测深面积及障碍物的大致分布情况; ;作业所需作业所需 的各种主要仪器设备、器材、船只类型及数量的各种主要仪器设备、器材、船只类型及数量; ;根据测根据测 区地理气象及装备条件区地理气象及装备条件, ,确立的不

9、同测区的作业效率确立的不同测区的作业效率测测 量作业的工作量、作业天数及时间安排量作业的工作量、作业天数及时间安排; ;技术人员选定技术人员选定 及分工及分工; ;作业方法及注意事项作业方法及注意事项, ,以及一些具体技术指示以及一些具体技术指示 等。等。 2021/2/69 技术设计书图表内容有技术设计书图表内容有:控制测量设计图应标出控制测量设计图应标出 已知点和待测点的位置、名称和等级已知点和待测点的位置、名称和等级;水准测量起点水准测量起点 和待测点的名称、联测路线、测量等级等和待测点的名称、联测路线、测量等级等;水深测量水深测量 设计图应标出测区范围、测图分幅编号、比例尺、设计图应标

10、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水位观测站名称和位置及附近重要城镇和道路的名 称称;海岸地形测量设计图应标明测量比例尺及实测、海岸地形测量设计图应标明测量比例尺及实测、 修测范围修测范围;附表包括技术说明书中各种统计表格等。附表包括技术说明书中各种统计表格等。 2021/2/610 （三）测线布设（三）测线布设 主要考虑测线间距和测线方向。主要考虑测线间距和测线方向。 测深线间的距离测深线间的距离大小应顾及测区的重要性、水底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地貌特征和水深等因素。对于单波束水深测量来说,测测

11、 线间最大距离要求见下表线间最大距离要求见下表: 测测 区区图上测线间距图上测线间距/mm 沿沿 海海1020 内内 河河 重点水域重点水域1015 一般水域一般水域1520 2021/2/611 测线方向测线方向的布置对采用单波束测深仪或是多波束测的布置对采用单波束测深仪或是多波束测 深仪是不同的。原则上深仪是不同的。原则上,采用单波束测深仪时采用单波束测深仪时,主测线应主测线应 垂直等深线方向布设垂直等深线方向布设;采用多波束测深仪时采用多波束测深仪时,主测线应大主测线应大 致平行于等深线方向布设。致平行于等深线方向布设。 为了检查测深与定位是否存在系统误差或粗差为了检查测深与定位是否存在

12、系统误差或粗差,衡衡 量测量成果的质量量测量成果的质量,需要布设检查线需要布设检查线,检查线应与主测线检查线应与主测线 垂直垂直,分布均匀分布均匀,分布在较平坦处分布在较平坦处,检查线一般应占主测检查线一般应占主测 线总长的线总长的5%10%。 2021/2/612 一、经纬仪前方交会定位一、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。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二、经纬仪后方交会定位 适合水速较小、测图比例尺较小。适合水速较小、测图比例尺较小。 三、全站仪定位三、全站仪定位 直接由岸上全站仪测定目标（测船）的平面位置直接由岸上全站仪测定

13、目标（测船）的平面位置, 与水深测量同步。与水深测量同步。 续续 2021/2/613 四、四、GPSGPS定位定位 （一）单点定位（一）单点定位 定位精度为几米到几十米定位精度为几米到几十米,适合小比例尺水下地形适合小比例尺水下地形 图的测绘图的测绘; （二）差分（二）差分GPSGPS定位定位（DGPS）-Differential GPS DGPS系统主要由基准台（基准站）的系统主要由基准台（基准站）的GPS接收机、接收机、 数据处理与传输设备数据处理与传输设备 以及移动站以及移动站GPS接收机组接收机组 成。随着测船与基准站距成。随着测船与基准站距 离的增加误差增大离的增加误差增大 1cm

14、/km(非实时非实时) 2021/2/614 （三）（三） RBN-DGPS定位定位 RBN-DGPSRBN-DGPS就是就是Radio Beacon Differential GPS Radio Beacon Differential GPS 该系统需设多个基准站该系统需设多个基准站,以构成基准站网以构成基准站网,也称局域也称局域 DGPS（LADGPSLocal Area DGPS）。系统利）。系统利 用无线电标台站向移动台播发差分改正信息用无线电标台站向移动台播发差分改正信息,移动台移动台 用此信息对其接收的用此信息对其接收的GPS定位信息进行实时修正定位信息进行实时修正,以以 确定其精

15、确位置。确定其精确位置。 目前目前,由交通部在我国沿海建立的由交通部在我国沿海建立的RBN-DGPS定定 位系统可以覆盖我国近岸向海约位系统可以覆盖我国近岸向海约400km,向陆地约向陆地约 100km的范围的范围,定位精度约定位精度约25m。 2021/2/615 （四）（四）WADGPS定位定位 DGPSDGPS定位的精度随移动站与基准站距离的增加而定位的精度随移动站与基准站距离的增加而 降低降低,LADGPS,LADGPS定位系统在覆盖范围内精度较均匀定位系统在覆盖范围内精度较均匀, ,但在但在 覆盖区域以外覆盖区域以外, ,系统也难以保证更高定位精度要求的系统也难以保证更高定位精度要求

16、的 测量工作。测量工作。广域差分广域差分GPSGPS 定位系统是一种覆盖范围更广的精密定位系统。该系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。一统主要由监测站、主站、数据链和用户设备组成。一 般的般的DGPSDGPS提供给用户的是一组伪距或坐标改正数提供给用户的是一组伪距或坐标改正数, ,而而 WADGPSWADGPS提供给用户的改正数是每颗可见提供给用户的改正数是每颗可见GPSGPS卫星的卫卫星的卫 星星历和钟差改正数星星历和钟差改正数, ,以及电离层延迟参数。以及电离层延迟参数。 在在WADGPSWADGPS覆盖区域内覆盖区域内, ,改正数

17、的精度比较均匀改正数的精度比较均匀, ,可达到可达到 亚米级或更高的定位精度。亚米级或更高的定位精度。 2021/2/616 （五）（五）GPS RTK定位定位 GPS RTK定位是一种高精度实时动态载波相位差分定位是一种高精度实时动态载波相位差分 定位技术定位技术,由基准站、移动站及由基准站、移动站及RTK差分数据链组成。差分数据链组成。 它的定位原理是它的定位原理是: :将基准站采集的载波相位发给移动将基准站采集的载波相位发给移动 台台, ,进行求差解算移动台的坐标进行求差解算移动台的坐标(X(X、Y Y、H) ,H) ,也可以将基也可以将基 准站的载波相位修正值准站的载波相位修正值( (

18、差分值差分值) ) 发给移动台发给移动台, ,改正移动改正移动 台接收到的载波相位台接收到的载波相位, ,再解算移动台的坐标再解算移动台的坐标(X(X、Y Y、H) H) 。 采取以上的差分定位方法采取以上的差分定位方法, ,其平面其平面(X(X、Y) Y) 的定位的定位 精度可以达到精度可以达到2 cm ,2 cm ,而高程而高程H H 的测量精度可以达到的测量精度可以达到 5 cm ,5 cm ,这样的精度是非常高的这样的精度是非常高的, ,完全可以满足大比例完全可以满足大比例 尺的测图要求及工程上的应用。作用距离尺的测图要求及工程上的应用。作用距离10-20km10-20km。 2021

19、/2/617 ZP=ZZ0（Hh） 利用利用GPS RTK定位技术可实现无水位观测的水下地定位技术可实现无水位观测的水下地 形测量。如图形测量。如图, ZP绘图水深绘图水深; HRTK测得的相对基准测得的相对基准 面的高程面的高程; H-h 瞬时水面至深度基准瞬时水面至深度基准 面的高度面的高度,即水位值即水位值 2021/2/618 （六）无线电定位（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该方法是根据距离或距离差来确定测船位置,具有具有 精度高、操作方便、不受通视和气候条件的影响。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）圆系统定位 主台（测船） 副台1

20、副台2 2021/2/619 2)双曲线系统定位双曲线系统定位(时间差定位时间差定位) P A B C D3 D1 D2 S1 S2 C A B P C A B 2000 3500 3000 2000 2500 3000 2500 P 4000 3500 1500 0 -500 -1000 500 1000 如下图如下图,A、B、C是岸上三个无线电发射台（是岸上三个无线电发射台（A为主、为主、B、 C为副）测船为副）测船P设置无线电定位仪。由解析几何知设置无线电定位仪。由解析几何知,一动点到两一动点到两 定点距离之差为定值时定点距离之差为定值时,其轨迹为双曲线。其轨迹为双曲线。 P点至点至A、

21、B两点距离两点距离D1=Vt1,D2=Vt2; 距离差距离差:D2-D1=V（t2-t1）=300 t (V= 300m/s) 双值问题双值问题? 2021/2/620 主要有回声测深仪、多波束测深仪及近几年发展主要有回声测深仪、多波束测深仪及近几年发展 起来的机载激光测深系统。起来的机载激光测深系统。 测深杆测深杆（下部有铁底板）（下部有铁底板）,适用于水深适用于水深5m以内且以内且 流速不大的浅水区流速不大的浅水区; 测深绳测深绳（锤）（锤）,锤的重量锤的重量3.5kg5kg,适合水深较适合水深较 大的区域（大的区域（20m以内）、船速小、水流速小、水底以内）、船速小、水流速小、水底 底质

22、较硬的条件。底质较硬的条件。 在测深杆或测深绳上一般每在测深杆或测深绳上一般每10cm作一标记作一标记,以便以便 读数。读数。 2021/2/621 原理原理:测量声波由水面至水底往返的时间间隔测量声波由水面至水底往返的时间间隔,从而从而 推算出水深推算出水深:H=S+h 其中其中:S= vt / 2; h换能器吃水参数。换能器吃水参数。 v为超声波在水中的传播速度为超声波在水中的传播速度,约为约为1500m/s S H h 2021/2/622 也称条带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单波束测深仪只能沿测线测量水深值,而多波束测而多波束测 深仪是一种能够一次给出与

23、航向垂直的剖面内几十个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测量仪器。与传统的单甚至上百个水下测点水深值的测量仪器。与传统的单 波束测深仪比较波束测深仪比较,多波束测深仪具有测量范围大、速度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快、精度高、记录数字化以及成图自动化等优点,它把它把 测深技术从点、线扩展到面测深技术从点、线扩展到面,并进一步发展到立体测深并进一步发展到立体测深 和自动成图和自动成图,从而使水下地形测量技术发展到一个较高从而使水下地形测量技术发展到一个较高 的水平。的水平。高精度多波束测深系统具有高精度多波束

24、测深系统具有“水下摄影机水下摄影机”、 “水下水下CT”之称。之称。 2021/2/623 2021/2/624 工作时换能器阵列向测船航向的垂直方向发射多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、垂直开角都个俯角不同的声波束。每个波束的水平、垂直开角都 很小很小, ,目前国际上各种型号的多波束测深系统目前国际上各种型号的多波束测深系统波束开波束开 角角都在都在1 13.53.5之间之间, ,波束个数在波束个数在16-15016-150个不等个不等, ,数数 据采集系统记录各个波束的回波信号据采集系统记录各个波束的回波信号, ,计算水深。计算水深。 前进方

25、向 2021/2/625 这样多波束测深系统就将单波束测深仪这样多波束测深系统就将单波束测深仪,测量船每测量船每 跑一条线只能获得一条测深线水深信息跑一条线只能获得一条测深线水深信息,变成能获取多变成能获取多 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 化特性的影响化特性的影响,在船正下方左右各在船正下方左右各45开角的范围内开角的范围内,测测 深精度较高深精度较高,超出此范围超出此范围,精度将受到不同程度的影响。精度将受到不同程度的影响。 另外另外,从原理上可以看出从原理上可以看出,多波束记录的每个信号只是反多波束记录的每个信号只是反 映了该

26、波束水底反射信号的平均强度值。映了该波束水底反射信号的平均强度值。 2021/2/626 该系统测量以带状方式进行该系统测量以带状方式进行,波束连续发射和接波束连续发射和接 收收,测量覆盖程度高测量覆盖程度高,对水下地形可对水下地形可100%覆盖覆盖,与单波与单波 束比较束比较,波束角窄波束角窄,对细微地形的变化都能完全反映出对细微地形的变化都能完全反映出 来来,单波束是点、线的反映单波束是点、线的反映,而多波束则是面上的整体而多波束则是面上的整体 反映。反映。 2021/2/627 由于多波束测深设备与常规单波束回声测深仪相由于多波束测深设备与常规单波束回声测深仪相 比比, ,具有全覆盖、无

27、遗漏的优势具有全覆盖、无遗漏的优势, ,在精度、分辨率与水在精度、分辨率与水 下地形成象质量上有大幅度的提高下地形成象质量上有大幅度的提高, ,改变了传统的水下改变了传统的水下 地形测量技术按比例尺作业的模式地形测量技术按比例尺作业的模式, ,该系统正在为海洋该系统正在为海洋 和内河测绘带来一次技术革命和内河测绘带来一次技术革命, ,在江河、水库、湖泊、在江河、水库、湖泊、 海洋水下地形测绘海洋水下地形测绘, ,堤防护岸堤防护岸, ,港口、大坝监测港口、大坝监测, ,海底电海底电 缆、管线、隧道以及沉船、水下物体打捞搜寻等方面缆、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。

28、具有广阔的应用前景。 2021/2/628 目前有利用水下载人潜水器、水下自治机器人目前有利用水下载人潜水器、水下自治机器人 (AUV:Autonomous Underwater Vehicle)或遥或遥 控水下机器人控水下机器人(ROV:Remotely Operated Vehicle),集成多波束系统、侧扫声纳系统等船载集成多波束系统、侧扫声纳系统等船载 测深设备测深设备,结合水下结合水下DGPS技术、水下声学定位技技术、水下声学定位技 术实现水下地形测量的思想和方法。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水下机器人因可以接近目标,利用其荷载的测利用其荷载的测 量设备

29、量设备,可以获得高质量的水下图形和图像数据。可以获得高质量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目前使用的潜水器以自动式探测器最先进,探测器探测器 内装有水声定位系统。内装有水声定位系统。 四、四、 基于水下机器人的水下地形测量基于水下机器人的水下地形测量 2021/2/629 早期的载人潜水器和法国的Nautile 载人潜水器 一般讲一般讲,采用水下潜水器进行水下地形测量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。工作同用水面船只测量的手段和方法大致一样。 只是在水下测量时只是在水下测量时,需要测定潜水器本身的下沉需要测定潜水器本身的下沉

30、深度。因此深度。因此,一般需要使用液体静力深度计和向一般需要使用液体静力深度计和向 上方向的回声测深仪。上方向的回声测深仪。 2021/2/630 一些技术比较先进的国家在潜水器上安装了水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下立体摄影机。这种随潜水器运动的水下立体摄影 测量测量,在某种程度上同航空摄影地形测量工作原理在某种程度上同航空摄影地形测量工作原理 一样。一样。 由机器人深潜水下由机器人深潜水下,在接近水底时用水下摄在接近水底时用水下摄 影的方式获得水下目标的图像。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由于受水的透明度和

31、照明情况,仪器离海底的高仪器离海底的高 度等因素的局限度等因素的局限,水下立体摄影测量方法效率低和水下立体摄影测量方法效率低和 困难较大。困难较大。 水 下 摄 影 测 量 2021/2/631 进行海底地形测量进行海底地形测量,最有前途的方法还是利用具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、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。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 备安装在潜航器上备安装在潜航器上,也可以实现对海底的高精度测量也可以实现对海底的高

32、精度测量, 如我国大洋一号上的如我国大洋一号上的6000米水下自治机器人米水下自治机器人AUV 系统安装了测深侧扫声纳、浅地层剖面仪等设备系统安装了测深侧扫声纳、浅地层剖面仪等设备,用用 于大洋的海底地形地貌调查。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获取在水下环境清晰图像的主要方法,扫海测量中扫海测量中, 配置水下数字摄像系统有助于障碍物性质的判断配置水下数字摄像系统有助于障碍物性质的判断,提提 高扫测能力。高扫测能力。 2021/2/632 激光测深的原理与双频回激光测深的原理与双频回

33、声测深原理相似声测深原理相似,从飞机上向海从飞机上向海 面发射两种波段的激光面发射两种波段的激光,一种为一种为 红光红光,波长为波长为1064nm,另一种另一种 为绿光为绿光,波长为波长为523nm。红光。红光 被海水反射被海水反射,绿光则透射到海水绿光则透射到海水 里里,到达海底后被反射回来。这到达海底后被反射回来。这 样样,两束光被接收的时间差等于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激光从海面到海底传播时间的 两倍两倍,由此可算得海面到海底的由此可算得海面到海底的 深度。深度。 激光测深的公式为激光测深的公式为: 式中式中:c 为光速为光速;n 为海水折射率为海水折射率;

34、t为所接收红外光与绿光的时间差。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（五、机载激光测深（LIDAR） t n c 2 1 z 2021/2/633 2021/2/634 2021/2/635 水下地面点竖向位置的描述可以使用与陆地同样的水下地面点竖向位置的描述可以使用与陆地同样的 高程系统高程系统,由此得到水下地形图。但有时需要水深描述由此得到水下地形图。但有时需要水深描述 水下地面点竖向位置水下地面点竖向位置,则得到用等深线表示的水深图或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。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

35、航运水深图主要服务于航运,因此深度基准面的确定非常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重要。在我国海洋、港湾和河口以往主要采用最低潮面, 从从1956年开始采用理论深度基准面（年开始采用理论深度基准面（理论上可能出现理论上可能出现 的最低潮面的最低潮面）;在内河及湖泊采用最低水位、平均低水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。位或设计水位等作为深度基准面。 2021/2/636 2021/2/637 设计水位又称为江河航道设计水位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其确定方法主要有三种: （1）多年最低水位平均值

36、法。）多年最低水位平均值法。 （2）多年平均保证率法）多年平均保证率法,即取多年日平均水位历时曲线上与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。通航保证率相应的水位。 （3） 频率法频率法,如用流量频率法如用流量频率法,即以不能通航的天数为准即以不能通航的天数为准,在在 各年流量过程线上找出相应的流量作为随机变量各年流量过程线上找出相应的流量作为随机变量,绘出理论累积绘出理论累积 频率曲线频率曲线,从其上查处规定频率相应流量曲线作为设计流量从其上查处规定频率相应流量曲线作为设计流量,再在再在 水位流量关系曲线上查得对应此流量的水位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

37、。即为设计水位。 水下某地面点水下某地面点A的水深值的水深值SA等于深度基准面位置等于深度基准面位置H0与与A点高点高 程程HA之差之差,即即 SA=H0-HA 2021/2/638 水位观测过程中采用以水位观测过程中采用以“点点”带带“面面”的水位的水位 改正方法改正方法,水位改正方法主要有单站水位改正法、线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。性内插法、水位分带法、时差法和参数法等。 水位改正水位改正 2021/2/639 单站水位改正法单站水位改正法 为求得不同时刻的水位改正数为求得不同时刻的水位改正数,一般采用图解法和一般采用图解法和 解析法。解

38、析法。 图解法就是绘制水位图解法就是绘制水位时间曲线图时间曲线图,横坐标表示时间横坐标表示时间, 纵坐标表示水位改正数。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。内插来求得测量时间段内任意时刻的水位改正数的方法。 2021/2/640 线性内插法线性内插法 线性内插法的假设前提是两站之间的瞬时海面线性内插法的假设前提是两站之间的瞬时海面 为直线形态。此法也同样适应三站的情况为直线形态。此法也同样适应三站的情况,其基本数其基本数 学模型为学模型为: （ 两站水位改正数

39、模 ） （三站水位改正数模 ） A AB AB A s s zz z z 三点水位变化在不同 时刻位于同一平面上。 2021/2/641 水位分带改正法水位分带改正法(分带法分带法) 水位分带改正法分为两站水位分带改正、三水位分带改正法分为两站水位分带改正、三 站水位分带改正站水位分带改正(又称三角分带又称三角分带)。 以两站水位分带改正法为例来介绍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分带的实质就是利用内插法求得测区的 水位改正数水位改正数,与线性内插法不同与线性内插法不同,分带所依据的假分带所依据的假 设条件是两站之间潮波传播均匀设条件是两站之间潮波传

40、播均匀,潮高和潮时的潮高和潮时的 变化与其距离成比例。变化与其距离成比例。 2021/2/642 分带条件分带条件: 当测区有图时当测区有图时,可以判断主要分潮的潮波传播可以判断主要分潮的潮波传播 是否均匀是否均匀,来确定分带与否。来确定分带与否。 若测区无潮波图时若测区无潮波图时,可根据海区自然地理可根据海区自然地理( (海底海底 地貌、海岸形状等地貌、海岸形状等) )条件条件, ,以及潮流等因素加以分析以及潮流等因素加以分析。 分带的基本原则分带的基本原则: 分带的界线方向与潮波传播方向垂直。分带的界线方向与潮波传播方向垂直。 分带原理分带原理: 具体分为几带是由具体情况决定。两验潮站之间

41、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的水位分带数由下式确定: 式中式中:K K 为分带数为分带数;z为测深精度为测深精度; 为两验潮站深度基准面重叠时为两验潮站深度基准面重叠时,同一时同一时 刻两验潮站间的最大水位差。刻两验潮站间的最大水位差。 2021/2/643 时差法时差法 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充。其所依赖的假设条件是两验潮站之间的潮波传播 均匀均匀,潮高和潮时的变化与其距离成比例。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

42、中互相关函数的变时差法是运用数字信号处理技术中互相关函数的变 化特性化特性,将两个验潮站将两个验潮站A、B的水位视作信号的水位视作信号,这样研究这样研究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通过对两信号波形的研究求得两信号之间的时差,进而进而 求得两个验潮站的潮时差求得两个验潮站的潮时差,以及待求点相对于验潮站的以及待求点相对于验潮站的 时差时差,并通过时间归化并通过时间归化,最后求出待求点的水位改正值。最后求出待求点的水位改正值。 2021/2/644 参数法参数法 参数法直接从潮汐水位曲

43、线的整体变化入手参数法直接从潮汐水位曲线的整体变化入手,采用采用 最小二乘拟合逼近技术最小二乘拟合逼近技术,不仅求出两验潮站的潮时差不仅求出两验潮站的潮时差,还还 求出了两验潮站的潮差比和基准面偏差。求出了两验潮站的潮差比和基准面偏差。 基本原理基本原理:令所取令所取A、B两站的水位观测值为两站的水位观测值为整点整点观观 测值测值hA(i)、hB(i),则同步观测则同步观测N天天,便有便有24 N个观测值。个观测值。 两组观测值可画成两条水位曲线如下图两组观测值可画成两条水位曲线如下图: 2021/2/645 其中其中,x x为垂直比例系数为垂直比例系数,表示两站间的表示两站间的潮差比潮差比(

44、 (潮高比潮高比) ); y y为水平延迟系数为水平延迟系数,表示两站间的表示两站间的潮时差潮时差;z z为基准面偏为基准面偏 差。差。 zyixhA B )(h 将两曲线移动将两曲线移动,并适当放大或缩小并适当放大或缩小,使两个水位曲线吻合。使两个水位曲线吻合。 则建立如下数学模型则建立如下数学模型: 2021/2/646 两曲线比较示意图 将上式改为计算的离散化格式将上式改为计算的离散化格式: 根据最小二乘原理根据最小二乘原理: 其中其中:F F 为设计矩阵为设计矩阵, ,第第i i 行元素为行元素为 L L为闭合差矩阵为闭合差矩阵, ,第第i i 行元素为行元素为: : 解出解出x x、

45、y y、z z后后, ,可得关系值可得关系值: : )241 ( )(ih Ni zyixhA B ）（ 2021/2/647 2021/2/648 2021/2/649 2021/2/650 2021/2/651 2021/2/652 2021/2/653 2021/2/654 2021/2/655 在编制河流纵断面图和计算水面比降时在编制河流纵断面图和计算水面比降时, ,需要需要河流在同一时间河流在同一时间 的各点水面高程的各点水面高程, ,这些高程通常称为这些高程通常称为同时水位同时水位（或（或瞬时水位瞬时水位、假定假定 水位水位）。）。 2021/2/656 一、测深断面线和断面点的设

46、计与布置一、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测深断面线的方向一般与河流主流或岸线垂直,在在 河道转弯处河道转弯处,可布设成扇形。可布设成扇形。 测深断面线一般规定在图上每隔测深断面线一般规定在图上每隔12cm布设一条布设一条,测测 深点的间距一般在图上为深点的间距一般在图上为0.60.8cm,见下表见下表: 测图比例尺 测深断面线间距（m） 测深点间距（m） 等高距 （m） 1：1000 1525 1215 0.5 1：2000 2050 1525 1 1：5000 80130 4080 1 1：10000 200250 60100 1 2021/2/6

47、57 二、水下地形测量方法二、水下地形测量方法 断面方向的确定断面方向的确定:仪器（工具）、目估仪器（工具）、目估,一般在岸上一般在岸上 设立两个标志进行瞄准定向。设立两个标志进行瞄准定向。 外业结束后外业结束后,内业工作主要内容有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）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算各测点高程。）由水过观测结果和水深记录计算各测点高程。 （3）展绘各点位置）展绘各点位置,注记相应高程。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）在图上勾绘等高线或等深线表示出水下地形 的起伏。的起伏。 2021

48、/2/658 （一）（一）:纵断面是指河底高程沿河长的变化纵断面是指河底高程沿河长的变化, 一般用纵断面图表示。以河长为横坐标一般用纵断面图表示。以河长为横坐标,河底高程为纵河底高程为纵 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。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河道纵断面可用测量方法作出,在测出泓线上河底在测出泓线上河底 若干地形变化的转折点的高程与各点之间的距离后若干地形变化的转折点的高程与各点之间的

49、距离后,以以 河长为横坐标河长为横坐标,以河底高程为纵坐标以河底高程为纵坐标,即可绘出纵断面即可绘出纵断面 图图,河道的纵断面图可以表示河流的纵坡及落差的沿程河道的纵断面图可以表示河流的纵坡及落差的沿程 分布分布,也是计算水能蕴藏量的主要依据。也是计算水能蕴藏量的主要依据。 2021/2/659 （二）（二）:横断面是指垂直于流向的断面。两横断面是指垂直于流向的断面。两 边以河岸为界边以河岸为界,下面以河底为界。分单式及复式两种下面以河底为界。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单式端面水面宽度随水深的变化没有突变点,是连续变是连续变 化的化的,而复式断面水面宽度随水深的

50、变化有突变点而复式断面水面宽度随水深的变化有突变点,是是 不连续的。枯水期水流通过的部分称基本河槽。在洪不连续的。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。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流横比降和计算流量的重要因素,是计算流量的主要依是计算流量的主要依 据。据。 2021/2/660 在已有的地形图上在已有的地形图上,沿河道深泓线从上游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（或下游）某一固定地物或建筑物（如桥、坝、水文站、水位 站

51、等）开始起算站等）开始起算,向下游（或上游）累计向下游（或上游）累计,量距读数取至图上量距读数取至图上 0.1mm。 为了在纵断面图上绘出同时水位线为了在纵断面图上绘出同时水位线,应计算应计算 出各点的同时水位（瞬时水位）出各点的同时水位（瞬时水位）;通常是根据工作水位（观测水通常是根据工作水位（观测水 位）进行换算。如下图位）进行换算。如下图: A MB L l2l1 Hm Hm HB hB HB HA hA HA 2021/2/661 图中图中,HA、HB和和Hm分别为某一日期上游水位站分别为某一日期上游水位站A,下游水位站下游水位站 B和中间任一水位站和中间任一水位站M测得的工作水位。测

52、得的工作水位。 下面介绍如何将下面介绍如何将M点的工作水位换算为另一日期的同时水位。点的工作水位换算为另一日期的同时水位。 1、假定各点间落差改正数的大小与各点的落差成正比。这时、假定各点间落差改正数的大小与各点的落差成正比。这时, 由上游水位站推算由上游水位站推算M点的落差改正数为点的落差改正数为: )(HmH HH HH HH A BA BA Am HA hA HA HB hB HB Hm Hm l1l2 L A MB 2021/2/662 )( Bm BA BA Bm HH HH HH HH 由下游水位站推算得由下游水位站推算得: 例例:已知水位点已知水位点M6月月15日日8:30的工作水位的工作水位Hm=48.121m,试求试求 换算到换算到6月月10日日12时的同时水位。时的同时水位。 解解:（1）由）由A、B两水位站观测手簿查得两水位站观测手簿查得6月