淺析水下地形測(cè)量的影響因素及解決方法

史紅禮 楊合誼 楊建國

【摘要】隨著工程行業(yè)的飛速發(fā)展，工程測(cè)量深入到水域的范圍越來越廣。為了更進(jìn)一步了解水下的地形測(cè)量，我們一般借助于測(cè)深儀來實(shí)現(xiàn)。然而影響水下地形測(cè)量精度的因素很多。為了減少在水下地形測(cè)量的過程中誤差影響，我們從以下幾個(gè)方面做一簡(jiǎn)單探討。

【關(guān)鍵詞】水下地形測(cè)量；地面/水下三維坐標(biāo)；回聲測(cè)深儀 ；測(cè)量精度

【Abstract】With the rapid development of engineering industry， engineering surveying deep into the waters of an increasingly wide range. To further understand the underwater topography， we generally achieved by means of a depth sounder. However， many factors affect the underwater topography measurement accuracy. To reduce the impact of errors in the process of underwater topographic survey， we do a brief discussion of the following aspects.

【Key words】Underwater Topographic Survey；Terrestrial / underwater three-dimensional coordinates；Echo sounder；Measurement accuracy

三維坐標(biāo)（X，Y，Z）是繪制地形圖最基本的數(shù)據(jù)。水下地形測(cè)量是地面三維坐標(biāo)（X，Y，Z1）和水深測(cè)量（Z2）相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的，即（X，Y，Z1+Z2）。水上平面測(cè)量可采用全站儀、GPS等常規(guī)方法來實(shí)現(xiàn)，但在水中采集水下三維坐標(biāo)的方法相對(duì)比較復(fù)雜，通常我們采用測(cè)深儀來實(shí)現(xiàn)。這里主要以回聲測(cè)深儀為例做以簡(jiǎn)單分析。

2. 回聲測(cè)深儀的工作原理：

回聲測(cè)深儀的工作原理是利用一組發(fā)射換能器在水下發(fā)射聲波，使聲波垂直方向在水域介質(zhì)中傳播，等碰到目標(biāo)后再被反射回來，反射回來的聲波被接收換能器接收，根據(jù)聲波往返的時(shí)間和所測(cè)水域中聲波傳播的速度，就可以求得障礙物與換能器之間的距離。然后再由聲納分析員或計(jì)算機(jī)處理收到的信號(hào)，進(jìn)而確定目標(biāo)的參數(shù)和類型。

3. 回聲測(cè)深儀的種類：

回聲測(cè)深儀類型很多，大體可分為記錄式和數(shù)字式兩類。通常都由振蕩器、發(fā)射換能器、接收換能器、放大器、顯示和記錄部分所組成。

4.主要影響回聲測(cè)深儀測(cè)量水深的因素

聲波在水域中的傳播速度，隨水域的溫度、鹽度和水中壓強(qiáng)等而變化。在水下地形測(cè)量中對(duì)傳播速度影響最大最常見的表現(xiàn)在水溫、風(fēng)浪、水中雜質(zhì)、平面采集數(shù)據(jù)誤差及平面測(cè)量與水深測(cè)量過程中讀取數(shù)據(jù)是否同步誤差的影響。

圖1西南視角觀察圖2東南視角觀察5. 影響主要因素分析

5.1介質(zhì)對(duì)回聲測(cè)深儀測(cè)量水深的影響。 聲音的傳播速度與介質(zhì)的密度成正比。水的密度比空氣高約800倍，所以傳播速度比空氣快的多，而水密度最高的時(shí)候在4℃（水分子的特性，使其結(jié)冰后膨脹，分子撐開反而密度小，傳播速度慢，），因此這個(gè)時(shí)候4℃?zhèn)鞑プ羁臁．?dāng)然在4℃以上，溫度更大時(shí)，密度更小傳播速度越慢。例如，在常溫下，海水中聲速的典型值為1500米/秒，如果測(cè)得聲脈沖在水中往返的時(shí)間為3秒，則海水的深度為2250米，即1500*3/2=2250米。由于聲波在海水中的傳播速度隨海水的溫度、鹽度和壓力的變化而變化，所以在常溫時(shí)海水中的聲速的典型值為1500米/秒，淡水中的聲速為1450米/秒。在每次使用測(cè)深儀之前必須對(duì)測(cè)深儀做吃水對(duì)比試驗(yàn)。首先量取待測(cè)區(qū)域的水溫，在對(duì)測(cè)深儀做零位和吃水校正后，對(duì)水深量化器做聲速調(diào)整，使工前和工后測(cè)的水深結(jié)果一致。

5.2水中雜質(zhì)的影響及注意事項(xiàng)。

5.2.1在一般深水區(qū)域，聲波常會(huì)碰到水中的懸浮物及水中生物，就會(huì)反射回接收器，因此就會(huì)接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，為繪制地形圖提供錯(cuò)誤的信息。為了避免此類情況。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的測(cè)繪工作者常采用減慢測(cè)船的行進(jìn)速度、加密收集測(cè)點(diǎn)及對(duì)收集的數(shù)據(jù)繪制等高線，對(duì)等高線進(jìn)行分析、點(diǎn)位篩選、或者復(fù)測(cè)最終達(dá)到理想的水下三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。下面我們以某工程的水下測(cè)量為例來做以簡(jiǎn)單說明。第一次我們所測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1：

5.2.2對(duì)其利用CASS測(cè)量繪圖軟件繪制三角網(wǎng)及等高線，通過三維的不同視角觀察如下：西南視角觀察如圖1：

5.2.3東南視角觀察如圖2：

5.2.9由此可見目前的出的等高線才合乎等高線的變化規(guī)律。

5.3風(fēng)浪的影響及注意事項(xiàng)。

（1） 一般情況下，我們盡量避免風(fēng)浪天氣對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行測(cè)量水下地形，因?yàn)闇y(cè)船在風(fēng)浪天搖擺不定，船首附近受到水流的沖擊影響較大，也容易在換能器底部產(chǎn)生氣泡。這樣接收器接受的數(shù)據(jù)不能正確反映測(cè)區(qū)的水下三維坐標(biāo)。

（2）如果工期緊迫或者風(fēng)浪多發(fā)區(qū)域，我們首先必須對(duì)其區(qū)域做出判斷。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)資料，測(cè)船因風(fēng)浪造成的搖動(dòng)大小，取決于風(fēng)浪的強(qiáng)弱與測(cè)船的抗風(fēng)性能，而測(cè)深記錄紙上的數(shù)據(jù)起伏變化可反映出其對(duì)測(cè)深的影響。起伏不大，則影響不大，如果記錄紙出現(xiàn)有0.4～0.5m的鋸齒形變化時(shí)，實(shí)際水面浪高一般將超出其值1～2倍。對(duì)20m以下的水深測(cè)量，取不同深度測(cè)點(diǎn)深度中誤差平均值的2√2倍，即為0.4m作為對(duì)比較差的限值指標(biāo)；對(duì)大于20m的水深測(cè)量，將前述0.4m的限值按20m水深折合成百分比誤差，即為0.02×H（m）。其次要把換能器安裝在距離船頭1/2～1/3的位置；然后在測(cè)區(qū)建立驗(yàn)潮點(diǎn)及氣象監(jiān)測(cè)點(diǎn)。驗(yàn)潮點(diǎn)實(shí)際就是在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的岸邊做一水位標(biāo)尺，多次讀取水位數(shù)據(jù)的同時(shí)根據(jù)氣象監(jiān)測(cè)點(diǎn)讀取風(fēng)速級(jí)別，對(duì)其進(jìn)行比較分析，計(jì)算出驗(yàn)潮期與無潮期的誤差參數(shù)，最后在對(duì)接收器上讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加以改正。這樣就可以大大減小風(fēng)浪對(duì)水下地形測(cè)量的影響。另外在坡度變化較大的河流區(qū)域，如果定位中心與換能器中心偏移較大將導(dǎo)致所測(cè)的水深失真，影響成圖質(zhì)量，因此必須進(jìn)行偏心改正。

6. 結(jié)語

水下地形測(cè)量是水上平面測(cè)量和水中水深測(cè)量的相結(jié)合，所以影響的因素很多。在實(shí)際的測(cè)量過程中只要能按照以上的描述加以注意，就能得出理想的測(cè)繪數(shù)據(jù)，然而最關(guān)鍵是繪制地形圖的過程中要對(duì)原始數(shù)據(jù)生成的等高線加以分析，再對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。主要表現(xiàn)在三維的地形圖形中不能出現(xiàn)等高線交叉、直拐、或者非圓滑變化等錯(cuò)誤特性。如果篩選后繪制的地形圖還存在類是問題，就必須對(duì)區(qū)域進(jìn)行重測(cè)，直到得出能夠?qū)嶋H反應(yīng)水下地形的三維坐標(biāo)，最終繪制出合格的地形圖。

參考文獻(xiàn)

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[2]彭福坤，彭慶主編。土木工程施工測(cè)量手冊(cè)。北京：中國建材工業(yè)出版社.