誤差理論在水下地形測量的誤差控制和在外業成果評定中的應用

林海聰

摘 要：本文從水下地形測量的內外業，儀器設備的系統誤差控制、測量成果進行評定的方法進行了探討，著重研究誤差理論在對測量成果的準確度評定方面的實踐應用。

關鍵詞：誤差 穩定性 測量 成果評定

水下地形測量利用定位儀器和回聲測深儀等儀器設備野外采集數據，如果所使用的設備在數據采集的過程中產生的大量設備不穩定原因帶來的系統誤差、各種吵雜的隨機誤差，將會大大降低測量成果的可靠度與準確度。為保證測量成果可靠準確，首先要對儀器的測量誤差、儀器的穩定性進行控制，在測量準備過程中對儀器的相應指標進行現場檢定，確保各項性能指標要符合要求，從源頭上控制測量質量，在測量誤差傳遞的各個環節進行控制，降低累計誤差。水下地形測量完成后，可以采用誤差理論對測量成果進行評定，控制和提高成果的準確度。

1.水下地形測量儀器誤差的控制和穩定性檢定

實際實踐過程中，需要儀器設備在檢驗周期中能保持性能指標，可定期將設備送到質量檢驗部門進行鑒定、調整，日常測量中要做好儀器設備的校對和驗證，日常要保養好設備。

定期的將設備送到權威的檢驗部門進行全面的檢驗，根據檢驗統計出來的結果可以發現儀器設備的穩定性和測量精度方面的變化，及時進行校正，最大限度的減少因為設備性能下降帶來的系統誤差。對于校正后仍未能達到測量精度要求的不予投入使用。

限于成本和時間的限制，不能經常性地將儀器送到權威部門檢驗。可在鑒定周期中對儀器設備進行簡單的檢驗和校對，以期保持良好的技術性能。下面就分別對測深儀、GPS接收機這兩種水下地形測量常用設備的日常檢驗和校對進行闡述。

（1）GPS接收機的測量精度和穩定性的檢測。將GPS接收機架設到控制點上，在差分信號穩定的情況下進行記錄30分鐘以上。然后對數據進行統計，計算出X方向和Y方向的中誤差以及平面定位的中誤差。

誤差圓（95%）半徑Offset=測量點到真實值的平均值+兩倍測量點到測量最或然點的中誤差，該值是系統誤差和隨機誤差的和，表征了測量偏離真實值（準確度）的大小。在Offset（95%）不超過測量技術要求的情況下，評定測量精度主要取決于兩倍定位觀測中誤差Drms值。

在多次定期進行校驗，Drms和 Offset均符合測量技術要求，就可以認為在這些時段GPS接收機工作穩定。筆者在汕尾電廠工程中水下地形測量比例尺為1：2000，依據規范“測深點定位點中誤差限值測圖比例尺大于1：5000為圖上1.5mm”的要求，點位誤差限制為3.0m，表1為筆者所在工程歷次比對的成果統計：

上表歷次中誤差Drms和誤差圓半徑Offset均小于限制，可以判定儀器測量精度和準確度、穩定性滿足測量所需的技術狀態要求。

（2）測深儀的測量精度和穩定性的檢測。將測深儀的換能器固定在一個位置，比如碼頭邊，水下最好是硬底質的反射層。連續記錄10分鐘左右，將數據進行統計。根據統計出來的深度中誤差進行評定。

測量實施過程中儀器測量誤差的控制。

（1）測深儀的聲速改正。在每次月進度或檢測測量前均進行一次聲速校正。降低深水改正不準確引起的系統誤差，確保測量成果的準確度。值得注意的是在進行測試板聲速校正時必須是“深度調聲速而不是聲速調深度”，即檢測板的深度不變僅改變聲速。

（2）DGPS定位時必須時處于“差分狀態”時才進行記錄，確保測量定位精度滿足要求。

（3）GPS和測深儀的延遲校正。系統性延遲探測的方法有兩種，一是同一目標探測法，二是同一測線探測法。

（4）外業中進行潮位觀測時，采用短時多次觀測記錄的方法進行讀數，然后將平均值記錄入簿，可以很好的控制讀數的誤差。另外盡可能在風浪影響小的區域設立驗潮站。

2.對外業測量成果的評定

2.1對測深紙的質量評定

測深紙上面的記錄是測量時對水深數據的最原始記錄，是內業處理中修改假水深的重要依據，也是評定測量質量，判斷水下反射物的重要依據。不同的質量具有明顯的區別，如下圖1則是質量對比圖（左為質量好的；右為質量比較差的）：

其記錄的反射模擬線邊界模糊，上層空間有明顯的干擾回波。這樣的記錄說明有可能測深儀參數沒有設置好，以致測量的結果出現較多的假水深，而反射面的回波測量結果跳動比較厲害，往往有0.3m左右的跳動，相對于上圖其測深值離散較大。

2.2測量數據的統計分析

從測量結果中提取比較典型的一條測線的測深值、高程值、坐標值（采集頻率不低于1HZ）。分別計算后一個點相對前一個點的變化值，最后對這些變化值進行統計。在剔除了粗差后，計算得到的中誤差可以很好的反映測量結果的離散程度，離散越小說明越穩定。表2是筆者某次測量統計的結果。

采集時船速約為2.5m/s，坐標位移變化值的平均值為0.529m和實際情況很吻合。位移變化值中誤差0.055m，測深變化差中誤差為0.061m以及高程變化值中誤差為0.021m說明測量結果中兩點之間的變化穩定、連續、數據采集過程可靠。

2.3依據內業處理后的測量數據對測量成果質量評定

（1）測深線數據同檢查線數據進行對比。根據水運工程測量規范（JTJ 203-2001）中“7.4.7測深檢查線與主測線相交處，圖上1mm范圍內水深點的深度比對應符合水深小于等于20m時深度比對互差小于或等于0.4m，水深大于20m時深度比對互差小于或等于0.02H。”（H為深度值）對比對成果進行評定。

（2）前后兩次同一自然水深區域測量數據的比較，同樣比較其互差值。

下面的數據比對統計成果是是筆者在對某航道未施工區域兩次測量成果比較的結果：

內航道未施工區域：

深度比對互差的最或然值為0.008m，接近于0，說明比對結果在0處周圍分布均勻，中誤差為0.122m，說明大多數的互差變化范圍在-0.24至0.24m的范圍內，合格百分比為98.83%，說明測量成果質量穩定，可靠準確。

3.結論

簡單易理解的中誤差理論在水下地形測量質量控制和成果評定方面的應用有積極的意義。以上筆者所述的也僅僅是提高測量精度和控制誤差的小小的一個方面，還有很多有待提高，發展的方法和技術手段。

參考文獻：

[1]水運工程測量規范[S].北京：人民交通出版社.2001.天津航道局.JTJ203-2001.

[2]武漢大學測繪學院測量平差學科組.誤差理論與測量平差基礎[M].武漢：武漢大學出版社.2003.

[3]上海航道局.HYPACK MAX測量和疏浚軟件應用手冊[M].上海：上海航道局.2003.

[4]彭美云.概率論與數理統計[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社.2001.

[5]廣州航道局.GPS信標機定位系統校準作業指導書[M].廣州：廣州航道局.2004.endprint