海洋要素调查与观测技术 第二章

海底地形的掌握状况关系到国民经济建设和国防安全。


海洋调查中的水深测量是配合其他海洋要素观测的，又 作为这些要素测量的基础。

观测船到站后，首先确定站位水深，由它来确定海洋要素的观 测层次，然后再进行海洋要素的观测。
水深

水深

固定点从海平面至海底的垂直距离 现场测得的自海面至海底的铅直距离 从深度基准面起算到海底的水深


现场水深


海图水深

我国采用的是“理论深度基准面”来作为海图起算面
水深测量的要求

时间要求

连续站：每小时一次 大面（或断面）调查：船到站后即测量 准确度±2% 100m以浅，取一位小数；超过100m， 取整数。

准确度要求

深度测量的方法

钢丝绳测深 回声测深仪测深 多波束测深系统测深 海洋遥感测深
回声测深仪的应用进展


我国使用回声测深仪的船只较为广泛，它不 仅记录迅速，而且在停航和航行中均可进行 工作，并能把连续测得的结果记录下来，使 我们能得到整个航线上的深度、地形分布轮 廓和固定站位的潮汐情况。 回声测深技术不断发展。为提高发射功率， 改善方向性，回声测深仪的换能器从单个发 展到多个；为扩大探测面积，从单波束发展 为多波束；并应用了计算机和数字显示技 术，提高了精确度，扩大了使用范围。
钢丝绳测深注意事项

观测前做好各方面准备； 操作中尽量避免钢丝绳挤伤或折伤； 禁止在刹车带里涂油； 调查结束后，做好相应清洁保养工作。
钢丝绳测量深度的校正

计数器器差校正 钢丝绳的倾斜校正
计数器器差校正

校正原因

在制作和使用中，由于机械磨损，存在一定误差，在使用前 必须进行器差校正。 将钢丝绳通过计数器，自绞车上放出来，当钢丝绳的起端通 过计数器时，将指针拨到“0”处，到放出一定数量(100～200m) 后，用卷尺量取经过计数器的钢丝绳实际长度。 校正系数A : 式中:L为所放出钢丝绳的实际长度； l为计数器的示数. 校正值a：

钢丝绳水下部分校正


计算实际深度Z:
Z=L-k-m
钢丝绳测深实用校正示例

已知：

计数器离水面的高度 h=6m， 钢丝绳倾角α=30°， 入水钢丝绳长L =100m，

求实际水深Z= ？ 解：


根据h和α查表得m =0.9m， 根据 L与α得k=5.2m， 则， 实际深度Z = L-k-m = 93.9m
回声测深仪

单频测深仪

仅发射一个频率的超声波，以测量海面到海底表面之间的垂 直距离，即水深。 换能器垂直向下发射高、低频两个声脉冲。

双频测深仪

回声测深仪测深原理

测深原理



安装在测量船下的发射机换能器，垂直向水下发射一定频 率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底，经反射或散射 返回，被接收机换能器所接收。 设经历时间为t，换能器的吃水深度D，则换能器表面至水 底的距离(水深)H为： H=0.5ct+D=750t+D 实际使用中，直接在回声测深仪指示器上读取深度数据。 水深精度将受到超声波在水中传播速度C变化的影响和换能 器基线S不为零的影响。

优点


缺点


应用

机载激光测深原理
被动遥感测深系统

根据不同光谱段渗透海水的能力不同的原理 设计而成的测深系统。

近红外光谱段渗透海水几毫米至几厘米 可见光短波段（蓝、绿光）渗透海水20米（在海 水非常透明的情况下，可达40米）。

用几个狭窄的不同波段的光谱带进行水下扫 描，可获得不同深度断面图像。 但被动系统因受穿透海水能力的限制，有效 测量深度不大。
多波束测深系统



多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来，能一次给 出与航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深度。它能 够精确地、快速地测定沿航线一定宽度内水下目标的大小、 形状、最高点和最低点，从而较可靠地描绘出水下地形的 精细特征，从真正意义上实现了海底地形的面测量。 多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数 字化传感器技术等多种技术的高度集成。 优点

船舶倾斜（摇摆）


海底底质


海底地形


船底污物、杂草等

回声测深仪水深订正


回声测深仪指示或记录的水深，须经过 换能器吃水深度订正、声速偏差订正和 转速订正。 水文资料法

适用于水深大于20米的水深测量 适用于小于20米的水深测量

校对法

双频测深仪

双频测深仪原理

换能器垂直向下发射高、低频声脉冲，由于低频声脉冲具有 较强的穿透性，因而可以打到海底硬质层，获得深度Hlf；高 频声脉冲仅能打到海底沉积物表层，获得水深Hhf ，两者之 差即为淤泥厚度h。
海洋遥感测深

利用航空或航天运载工具上的探测系统测定海底 各点在水面以下深度的工作。 优点

探测面积大、效率高、数据便于自动化处理等 根据仪器的搭载工具


分类

航空遥感测深 航天遥感测深 主动遥感测深（即激光测深） 被动遥感测深（即多光谱扫描测深或多光谱摄影测深） 主动被动相结合的遥感测深

HY152型双频测深仪

h= Hlf– Hhf
当今国内新一代产品，实现对水深的实时跟踪测量。用于对 江河、港口、沿岸地带或近海水域的水深作精密测量，以供 海图测绘、水文调查、航道勘测维护和海洋开发工程勘察 用，同时也可定性地观察水底浮泥厚度及分析底质状况。可 与GPS、计算机及其它自动测量设备相连接实现自动化测量。
深度基准面的确定



确定深度基准面的方法很多，因此多 国计算方法亦各异。 我国在1956年以前采用略最低低潮面 作为深度基准面。1956年后采用弗拉 基米尔理论最低潮面作为深度基准面 （简称理论深度基准面）。 潮汐变化不大的江河和湖泊，一般采 用设计水位作为深度基准面。
一些潮面说明
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一般以19年作为潮汐变化周期来计算潮面平均值。 MWL平均水位

多波束测深系统 组成及工作原理

工作原理

通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角度定向发射、接 收，通过各种传感器（卫星定位系统、运动传感器、电罗经、 声速剖面仪等）对各个波束测点的空间位置归算，从而获取 在与航向垂直的条带式高密度水深数据 。 多波束声学系统 多波束数据采集系统 数据处理系统 外围辅助传感器

校正方法


A=L/l
a=l (A-1)
钢丝绳倾斜校正

倾斜校正原因

受海流的影响，钢丝绳的长度比实际的深度 大，需进行倾角订正。 在目前实际工作中遇到钢丝绳倾斜时，最好是 用重锤增加钢丝绳末端悬吊的仪器重量，以减 小倾角，尽量不加以校正。 如果加重后，钢丝绳倾角仍然≥10°时，就 要进行校正。

根据工作原理

航空遥感测深
主动遥感测深系统

测深原理

机载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。 在测深精度和测量效率方面都比回声测深仪高 探测深度受激光器功率及海水混浊度的限制 常规海道测量 沿岸大陆架海底地形测量 测量海区的混浊度，测定温度、盐度
深度基准面

目前各国采用的深度基准面标准不一。

略最低低潮面 平均低潮面 平均低低潮面 最低潮面 平均大潮低潮面 理论深度面

在比较透明的海域中，有效测量深度也只有数十 米，而在混浊的海水中仅限于几米。
海图水深计算


海洋水深不仅随地点变化，还受潮汐影响随时间变化。 为了绘制海图，需要确定一个基准面，从此深度基准面 起算到海底的水深，即为海图水深。 深度基准面通常取在当地多年平均海面下深度为L的位 置。求算深度基准面的原则，既要保证航海安全，又要 考虑航道利用率。

观测周期内记录的所有每小时水位值的平均值。 每19年的最高高水位值的平均值。 19年中所有较高高水位值的平均值。 19年中所有较低低水位值的平均值。 每19年的最低低水位值的平均值。

HHWLT大潮高高潮面


HHWMT平均大潮潮面


LLWMT平均低低潮面


LLWLT略最低低潮面

潮位变化基本要素示意图
钢丝绳测深

钢丝绳测深

用水文绞车上系有重锤(铅锤)的钢丝绳 测量水深。 绞车 绳索计数器 倾角器

测深设备

绞车
绳索计数器及倾角器
钢丝绳测深方法





定时探测时，根据海流的大小在水文绞车的钢丝绳前端 挂一个铅鱼锤。 操纵绞车，放松钢丝绳，让重锤的底部恰好降到水面 上，此时把计算器清零或记下计算器读数。 操纵绞车，继续放出钢丝绳，当重锤触底而使钢丝绳松 弛时，立即停车，然后将钢丝慢慢收紧，使重锤刚好触 底时读取计数器指示数，并记录它，两次计数器的差即 为实测水深。 若钢丝绳倾斜时，应用倾角器测量钢丝绳倾角；遇到钢 丝绳倾角过大时，应在可能条件下加重铅锤，使倾角尽 量减少。当加重铅锤以后，钢丝绳的倾角≥10°时，应 施行倾斜校正。如计数器误差超过范围，则需施以计数 器校正系数的订正(校正系数在0.98～1.02之间，不必校 正)。倾角超过30°时，应加大铅锤的重量或利用其他方 法使倾角控制在 30°以内。 操纵绞车，收回钢丝绳。

与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、速 度快、精度和效率高、记录数字化和实时自动绘图等优点。 适用于海上工程施工区和重要航道的较大面积的精确测量，也可 以用于精确测定航行障碍物的位置、深度。 它能绘出海底三维图形，消除了使用侧扫声呐时判读的困难。 有的系统还可在冰覆盖区使用。

应用

组成

多波束成果图 ——水深等值线与3D叠加图
Multibeam data capature
EM950多波束测深系统


多波束测深(Multibeam Echo Sounding)系统的出 现，为研究海底地形地貌、寻找沉没于水中的飞机船 舰、进行水下考古、铺设海底管线、航道岸堤测量、 工程疏浚的土方计算等一系列工作提供了可靠的手 段。 为了顺利完成“我国专属经济区和大陆架勘测”专项 （简称“126”专项），我国多家从事海洋地质研究的 单位于1998年从挪威Simrad 公司分别引进了多套EM 系列多波束测深系统。其中国土资源部（原地矿部） 广州海洋地质调查局引进了一套EM950型及一套 EM3000型的多波束测深系统。

原理缺陷

回声测深仪组成示意图
影响回声测深仪正常测深的主要因素

水中气泡

当船舶倒车或处在风浪中时，船底换能器周围水层中存在大量气泡， 吸收换能器发射的超声波能量和海底反射回来的微弱的超声波回波。 船舶倾斜或摇摆角度大于波束开角的一半时，海底反射回来的超声 波回波，将不能到达接收换能器的接收面即接收不到回波信号，测不 到水深。 回声测深仪发射超声波的波束开角一般为20 ～30。 光滑的岩石对超声波的反射效果最好，淤泥对超声的反射效果最差， 碎石、沙子对超声波的反射效果一般。 从回声测深原理可知，回声测深仪是测量船底到海底的水深，严格地 说应该是测量船底换能器位置到海底的水深，如果海底地形不平坦 时，回声测深仪显示的水深并不是整个船底的水深。当船舶处于浅水 区时，应充分注意这种影响，防止船舶搁浅。 将使换能器发射的超声波能量被衰减而减小了测深能力，或直接将超 声波反射回到接收换能器被接收，使显示的水深不是海底水深而只是 某一水层的水深。
第二章 海水深度及海底地形地貌测量

水深测量的意义与目的 水深测量的要求 深度测量的方法 海图水深计算 海底地形地貌测量
水深测量的意义与目的

水深测量是研究海洋形态的一种手段。

认识海洋，全面了解海洋，首先应从它的外貌着手研究，然后 再研究它的内在规律。 借助水深测量来了解海底地形的分布情况，可以避免海面航行 的船只搁浅触礁，潜艇可以利用海底地形作屏障以避免被搜索。

校正前提说明


钢丝绳测深实用校正方法

钢丝绳水上部分校正

根据计数器高度和倾角查《钢丝绳倾斜时水上部 分订正值》表，得出校正值m，然后将水上钢丝 绳长减去校正值，得到水上钢丝绳实际长度； 用钢丝绳的水下长度和倾角，查《船只抛锚时钢 丝绳倾斜水下部分订正值》表，得钢丝绳倾斜的 水下部分订正值k。