第三章 水下地形测绘

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= Байду номын сангаас· △t / 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
h
S
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。
（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。
1：200— 1：500
＞1：5000 ≤1：5000
2.0
1.5 1.0
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。
水 深 （m） ≤20 ＞20 深度比对互差（m） ≤0.4 ≤0.02× 水深值
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。
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%。
（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》规定的深度测量 极限误差。 国际海道测量组织
（四）WADGPS定位
DGPS定位的精度随移动站与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。
一、水深测量的简单工具
测深杆（下部有铁底板），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3.5kg~5kg，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）
1）圆系统定位
主台（测船）
副台1 副台2
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
（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 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（LADGPS—Local 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2~5m。
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。
第三章
本章主要内容：
水下地形测绘
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。
§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；
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。
（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 区 图上测线间距/mm
沿
内河
海 重点水域 一般水域
10～20 10～15 15～20
测线方向的布置对采用单波束测深仪或是多波束测
测深范围Z/m 0＜Z≤20 极限误差/m ±0.3
20＜Z≤30 30＜Z≤50 50＜Z≤100 Z＞100
IIHO国际海道测量组织 ,
±0.4 ±0.5 ±1.0 ±Z× 2%
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。 测图比例尺 定位点点位中误差 图上限差/mm
续
（5）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。
（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。
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、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。
水 下 摄 影 测 量
由于受水的透明度和照明情况，仪器离海底的 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。
0
-500
双值问题？
(V= 300m/μs)
3000 2000
2000
2500 2500
-1000
500
P
P
P
D3 D1
D2
C S2 A S1
B
C A
B
C A
B
40 00
00 10
35 00 1500
0 300
00 35
§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。
四、 基于水下机器人的水下地形测量 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。
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=Z＋Z0－（H－h）
ZP—绘图水深； H—RTK测得的相对基准 面的高程； H-h 瞬时水面至深度基准 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。
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1°～3.5°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