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1、海洋水深测量的误差分析及其改正摘要：21 世纪是海洋的世纪，海洋开发、港口建设尤为重要。本文阐述在测量海洋地形时获取的水深信息常出现的误差及更正方法。关键词：测深；误差；数据更正1引言同陆地一样，海洋开发的前期基础性工作也是测图。不同的是，在水域是测量水下地形 或水深图。水下地形测量主要包括定位和测深两大部分，其中测深是重要的内容。测深主要 靠回声测深仪进行。利用水声换能器垂直向下发射声波并接受水底回波，根据回波时间和声 速来确定被测点的水深。通过水深的变化就可以了解水下地形的情况。但需要强调的是，测 量得到的瞬时值存在仪器、潮汐等因素的影响。因此需要在数据处理中加入相关改正。（梁 开龙，20
2、01）2现代海洋水深测量的特点1）全天候、测量作业连续2） 误差源负责3）测量环境多变4）海底地形看不见，很难掌握其实际情况，测量性质属于水下声波遥感5）测量观测值较多，集定标、导航、测深及潮汐观测四种测量手段于一体，需要较强 的数据采集、存储、查询、分析处理和管理能力。3误差分析及其改正现代海洋水深测量误差主要来自四个方面（见表1）：1） 深度测量方面的误差；2）定位方面的误差3）潮位观测及改正模型的误差4）测量环境效应误差，包括由船速效应、波浪效应、定位中心偏心效应及测深延迟效应引起的测量误差。表 1 ：现代海洋水深测量主要误差因子分析误差种类主要误差因子测深误差测深仪测深（仪器标称值）；
3、测深仪换能动态吃水；海水声速定位误差GPS接收天线多路径效应；差分方法（伪距/相位差分）；电离 层改正模型；单频/双频机；卫星几何强度；定位点到GPS差分 基准站的距离；差分信号发送间隔；不同坐标系间坐标转换潮位改正误差潮汐观测值；潮位改正模型；理论深度基准面测量环境效应误差波浪效应；定位中心偏心效应；测深延迟效应；船速效应；波 束角效应（林珲等，2005）31 船速效应船速效应是由于船速过快及声波传播时间的影响仪器测深仪在异地（T2）接受到前一时 刻（T1）所发射的测深回波信号，见图1。设测深仪波束角为8，声速为1500m/s,船速V, 测深点水平位移为d=A S/2, H2 2为测深仪观测
4、值（T2时刻），H1 为 T1 时刻所对应的实际深度, 从 T1 到 T2 时刻，声波传播路径 总长度近似为H1和H2之和。由 于船速效应 ,深度点（声波反射 点）从P2位移到P3，原测量点（定位点） T1 上所对应的水深值 变为 H2（ T2 处收到 T1 处发射的 声波束覆盖区的边缘信号，它遵 循入射角等于反射角原理），在图2 的直角三角形 P1P2P3 中， H1=P1P2, S=2X P2P3,故可得A5海底GPS天线测深换能器珂瞬时海面11测船（I 二Lh2iWrr15OO1到下列等式：当船速为30km，水深为75m，位置误差可达0.77m，深度误差仅为0.01m。因此，当 船速小于
5、30km，水深小于75的海区，船速效应误差可忽略不计。在实际中如果需要考虑其 影响,可采用公式（5）与（6）作为其误差改正模型。理论上，由公式（6 ）与（7）可得最大船速（考虑单波束边缘信号）：V 二 1500 laf8）当波束角为12时，由（8）式可算得最大船速为157.66m/s,即测量船以306的速度航行均可接收到测深信号。但是在实际上，由于船速加快，各种不利于测深的噪音将会增大，测 深回波信号相对变弱，从而影响深度测量。我们建议测量船速度应尽量地加大到测深仪能正 常工作为限，以利于提高测量工作效率，但究竟能加到多快，视测量所处环境（例如，测深 仪接收灵敏度、海底地质、海水介质理化特性、
6、测量船本身噪声等情况）而定。32 测深延迟效应测深延迟效应是测深时刻与定位时刻不同步所引起的测量误差定位与测深是否同步有 两个含义：一是指发送给接 收机的定位标记时刻与发送 给测深仪的测深标记时刻 （这两个时刻一般以世界标 准时整秒时刻给出）是否同 步；二是指测深仪本身发射 声波时刻滞后于世界标准时 的整秒时刻所引起的测深点 移位效应。两种情况的效应 结果类似，本文讨论第二种 情况。L测览信号标记时刻B2C丄測量船航行 伞方向发射声注延迟时刻BY测畳船航行方向圏2 测深延迟效战原卫I!.及测探延迟效应前i A K-l Jm i R图）等深线对比发射声渡 延迟时刻在图2中，L1测线测量 船向南航
7、行，在 A1 处测量系 统发出测量信号，在整秒时 刻及时定位，而测深仪的发 射声波信号却滞后S,实际水 深测量点在 A2 处，设航速为 V,则测深延迟效应所致的测 量点水平方向（向南滞后） 位移量为匸：。若航速为10, 延迟为0.1s，贝I：VT= 10x 1852 4-3600 x 0. 2= 1.03( m)同样，在测量船向北航行的相邻测线L2中，测量信号在与L1的A1点相对应的B1点 发出，此时的滞后效应产生向北偏移约1m,由于一南一北，相邻测线测量点水平误差效应 将达2m,其后果会造成水深等深线呈锯齿状走势，图2中A图为实际等深线、B图为测深 延迟效应引起的等深线畸形。在测船坐标系中，
8、测深延迟效应误差为：33 定位中心偏心效应定位中心偏心效应是指由于 GPS 接收天线中心与测深仪换能器中心不重合而引起的测 量误差。假设测深换能器中心距GPS天线中心为1m,贝I相邻测线间距会引起2的变化， 如图 3 所示。图 3 中图为正常测深线，图为定位中心不一致后引起的测深线变稀或变密的后 果。在测船坐标系中，定位中心偏心效应误差为：AA = Ss ill Al/ = ScosMO;式中，S为测深换能器偏心距；U为偏心角。定位中心偏心效应原理及定位中心偏心效应前测深换能器海底I： A国盼小国测深钱航迹)变化图4汲浪效应原理34 波浪效应波浪效应是指测量船受风、浪影响，引起固定在测量船上的
9、测深换能器及GPS接收天 线随船一起左右晃动、纵横摇摆、上下沉浮，从而影响水深测量点的平面位置及深度两方面 的测量精度。见图4。设天线中心到测深换能器中心距离为L,测深仪读数为H,测船横摇角度为a，波浪效 应所引起的水平位移为S,水深变化为 h,则在中 P1P2P3，有：PP3= L+ 打NOS P1ina 二 I /. + H; s ina(12丿PIP2 =P1 P3cosa = f L +cosaf吐h二 PP3- PP2 =f L+打丿sc二f仁+打丿门cosa)fT4丿35 潮位改正模型误差目前，海洋潮汐观测技术已经有了很大发展，随着压力式潮位仪、超音波式潮位仪及GPS潮位仪的使用，
10、使得潮位观测精度可达到1cm左右。但潮位改正模型仍然存在较大误 差。潮位改正模型，大多是基于潮波均匀传播的原理，采用潮汐分带或线性内插方法求取测 量点的潮位，认为在同一个分带区,潮位值是一样的。实际并非如此，尤其在跨带区附近误 差更大。潮位改正误差也同测区波浪大小有关，波浪使得测深点处附近海面无规则凹凸起伏 变化，而验潮站获得的潮位是验潮站附近瞬时海面的平均值，水深测量点处的潮位值是其附 近验潮站潮位数据经过分带或内插换算而得，而非实时实点直接观测得到，故存在换算模型 误差另外，水深深度基准面的确定模型也存在误差。解决上述问题的有效方法是实施无验潮水深测量（也就是船载动态 DGPS 实时实点潮
11、 汐测量+水深测量）。36 波束角效应误差 测深换能器发射的声波具有一个波束角，测深仪收到的信号可能是在这个波束角所覆盖 的任何水深。正确深度应该是波束角所覆盖区域的中心点水深值，很显然，它不同于声波覆 盖区域的边缘点水深值，因此产生深度误差。此项误差在海底水深变化较大的地方尤为明显。37 海水声速误差海水在不同深层声波传播速度是不同的，而测深仪的设计声速虽然可调，一旦确定只能 对应一个声速。往往通过用声速仪等测定海水各个深度层的实际声速值来改正测深仪测得的 水深值。由于影响海水声速的因素复杂，加上在测定海水声速时环境也复杂（例如，海流强 弱、测船摇晃程度等），因此很难准确测定海水不同深度的声
12、速，从而产生声速误差。4 误差纠正的一般顺序，如下图所示：5小结水深测量因环境及客观原因产生了各种误差，这些误差会因使用的设备和方法不同而 有所不同，我们应当个根据实际情况对相关误差进行改正 。本文介绍了海洋水深测量中的 常见误差及其改正方法。在海洋水深测量中，要得到比较高的精度，必须进行数据更正。 参考文献：1) 冯守珍，胡光海，水深测量误差成因分析，海岸工程，第23卷第2 期，2004年6月2) 黄德全，现代测量技术一GPS卫星定位及海底地形测量，中国教育文化出版社，2005 年3) 黄谟涛，翟国君，欧阳永忠，管铮，陆秀平，申家双，王克平，侯世喜，海洋测量误差 处理技术研究，海洋测绘，第2
13、3卷第3期， 2003年5月4) 梁开龙，水下地形测量，测绘通报，第6 期， 2001年5) 林 珲，吴立新，方兆宝，刘基余，李红兵，水深测量的误差因子分析，海洋测绘，第25 卷第 2 期， 2005 年 3 月6) 刘雁春，暴景阳，李明叁，我国海洋测绘技术的新发展，测绘通报， 2007年第3 期7) 桑 金，肖俊掩，潮位改正的精度要求与误差分析，航测技术8) 赵建虎，刘经南，阳凡林，多波束测深数据系统误差的削弱方法研究，武汉大学学报- 信息科学版，第29卷第5期， 2004年5月9) 周庆冲，水深测量若干误差的改正方法，航测技术，10) 周军根，水下地形测量技术方案的探讨，四川测绘第26卷第3期， 2003年9 月
水下地形测量的误差来源及数据更正
