海底地形測(cè)量技術(shù)在南麂列島生態(tài)浮標(biāo)選址中的應(yīng)用

朱勇，陳良周

(1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 321009； 2.浙江省第十一地質(zhì)大隊(duì)，浙江 溫州 325006)

海底地形測(cè)量技術(shù)在南麂列島生態(tài)浮標(biāo)選址中的應(yīng)用

朱勇1*，陳良周2

(1.揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 321009； 2.浙江省第十一地質(zhì)大隊(duì)，浙江 溫州 325006)

介紹了水深測(cè)量的方法、水深測(cè)量誤差的影響因素以及海底地形測(cè)量技術(shù)方案等，并以南麂列島生態(tài)浮標(biāo)選址海底地形測(cè)量項(xiàng)目為例，敘述了單波束配合人工潮位觀測(cè)進(jìn)行海底地形測(cè)量全過(guò)程，并對(duì)結(jié)果做了分析。

水深測(cè)量；誤差分析；海底地形測(cè)量；生態(tài)浮標(biāo)選址

1 引 言

海底地形測(cè)量是指確定海底地貌情況，并將有關(guān)要素展繪在圖紙上，所繪制的地形圖是海洋研究，國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)所必需的基礎(chǔ)資料。海底地形和陸地地形一樣，包括海底地物和海底地貌兩部分。海底地貌是指高低起伏的海底形狀，包括礁石、淺灘和深溝等；海底地物是指沉船和其他障礙物等。本文以南麂列島生態(tài)浮標(biāo)選址海底地形測(cè)量項(xiàng)目為例，敘述了單波束配合人工潮位觀測(cè)進(jìn)行海底地形測(cè)量相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。

2 水深測(cè)量方法與誤差分析

2.1 水深測(cè)量方法

水深測(cè)量的主要方法有單波束與多波束回聲測(cè)深儀等。

單波束測(cè)深也叫回聲測(cè)深法，一般是利用船上裝的測(cè)深儀向海底發(fā)射聲波，通過(guò)測(cè)定接收到海底反射聲波的時(shí)間，計(jì)算海水面到海底距離。單波束測(cè)深波束的指向性和發(fā)射脈沖的寬度分別影響被測(cè)目標(biāo)的方位和深度分辨率。單波束測(cè)深儀數(shù)字化記錄和圖上的水深值，是由換能器底面至海底的深度值。換能器浸沒(méi)在海水中，由于測(cè)深儀設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、聲速與實(shí)際的轉(zhuǎn)速、聲速不同以及換能器的安裝等原因，需要對(duì)其進(jìn)行吃水改正、基線改正、轉(zhuǎn)速改正及聲速改正等。目前，對(duì)各項(xiàng)改正一般采用綜合處理，求取總改正對(duì)測(cè)量深度的影響，通常采用的改正方法包括校對(duì)法和水文資料法。[2]校正法適用于小于 20 m的水深。利用校準(zhǔn)工具，如帶有刻度電纜的水聽(tīng)器、帶有刻度纜繩的比對(duì)板等，置于換能器下面一定深度處，讀取校對(duì)工具的入水深度，與測(cè)深儀的讀數(shù)相比較，差值為測(cè)深儀總改正數(shù)△Z。水文資料法適用于大于 20 m的水深，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(包括各水層的溫度、鹽度、深度)分別利用相應(yīng)的公式求取各改正數(shù)，最后求取測(cè)深儀總改正數(shù)。

多波束測(cè)深系統(tǒng)是為了測(cè)定船只航線兩側(cè)的海底信息資料而研制的一種能在測(cè)船航線左右兩側(cè)對(duì)稱的有效帶內(nèi)測(cè)定全部海底地形信息的回聲測(cè)深系統(tǒng)，它是在回聲測(cè)深儀基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其基本原理和回聲測(cè)深儀相同，它們最大的區(qū)別就在于單波束和多波束，如圖1所示。

圖1 多波束水深測(cè)量原理

與傳統(tǒng)的單波束測(cè)深儀相比較，多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、速度快、精度高、記錄數(shù)字化以及成圖自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)，它把測(cè)深技術(shù)從原來(lái)的點(diǎn)線狀擴(kuò)展到面狀，并進(jìn)一步發(fā)展到立體測(cè)圖和自動(dòng)成圖，從而使海底地形測(cè)量技術(shù)發(fā)展到一個(gè)較高的水平。多波束換能器以一個(gè)較大的開(kāi)角(如120°)向水下發(fā)射聲波多波束，同時(shí)接收幾十束或上百束聲波，那么每發(fā)射一個(gè)聲波，便可在垂直于航線上得到一組水深數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)量船連續(xù)航行時(shí)，便可得到一個(gè)寬帶的水下地形資料[6，7]。

2.2 水深測(cè)量誤差分析

除了常規(guī)水深測(cè)量改正以外，還必須考慮周邊環(huán)境對(duì)測(cè)深的影響，包括波浪產(chǎn)生的船只橫搖、縱搖和升沉以及船速對(duì)定位、測(cè)深和航向改變等的影響[8]。

(1)波浪對(duì)測(cè)深的影響

波浪對(duì)測(cè)深的影響在淺水區(qū)主要表現(xiàn)為升沉方面，而在深水區(qū)主要表現(xiàn)為橫搖和縱搖方面。因此，為了提高測(cè)深精度，在小船上(用于淺水測(cè)量)應(yīng)首要安裝升沉傳感器，在大船上(用于深水測(cè)量)應(yīng)首要安裝縱、橫搖傳感器。同時(shí)，對(duì)于未安裝船姿傳感器的測(cè)量船來(lái)說(shuō)，必須使測(cè)船的橫、縱搖角限制在一定范圍內(nèi)[4]。

(2)船速對(duì)測(cè)深的影響

船速對(duì)測(cè)深的影響包括直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。所謂間接效應(yīng)是指船速作為參數(shù)伴隨其他效應(yīng)對(duì)測(cè)深的影響。例如，動(dòng)態(tài)吃水改正、定位與測(cè)深的延時(shí)效應(yīng)、波浪對(duì)測(cè)深的影響等方面均存在著船速影響的間接效應(yīng)[5]。本文主要從定位與測(cè)深兩個(gè)方面來(lái)討論船速對(duì)測(cè)深的直接效應(yīng)。《海道測(cè)量規(guī)范》規(guī)定水深點(diǎn)的定位中誤差應(yīng)小于圖上 1.5 mm；在平坦海區(qū)，定位點(diǎn)圖上間隔為 4 cm，在復(fù)雜海區(qū)為 3 cm[10]。設(shè)1/k為測(cè)圖比例尺，ε為定位點(diǎn)圖上間隔，則定位點(diǎn)間隔實(shí)地距離d為：

d=kε

(1)

隨著海底地形測(cè)量的發(fā)展，獲得高密度的定位點(diǎn)是必需的。引入測(cè)船航速v，則可得定位點(diǎn)時(shí)間間隔△t0為：

△t0=d/v=kε/v

(2)

由于定位系統(tǒng)的定位時(shí)間間隔受到儀器硬件本身的限制，因此，通常情況下是通過(guò)已知定位系統(tǒng)的定位時(shí)間間隔△t0以及定位點(diǎn)的間隔ε來(lái)選擇合理的航速v，即：

v=d/△t0=kε/△t0

(3)

如果定位系統(tǒng)連續(xù)定位能力越高，則△t0越小。而對(duì)于DGPS定位來(lái)說(shuō)，具有快速的連續(xù)定位能力，通常△t0≤1s，因此，船速問(wèn)題對(duì)于定位點(diǎn)間隔的影響可以不加考慮。

船速與換能器測(cè)深頻率(重復(fù)脈沖頻率)的關(guān)系相對(duì)比較復(fù)雜。通常，測(cè)深頻率依賴于測(cè)量水深，并且不同的測(cè)深儀有不同的測(cè)深速率。設(shè)f為測(cè)深頻率，θ為換能器半波束角，d為測(cè)深深度，D為兩個(gè)連續(xù)脈沖之間測(cè)船移動(dòng)的距離，則：

D=v/f

(4)

探測(cè)脈沖的覆蓋范圍為

2H=2dftanθ

(5)

顯然，如果D≤2H，則不會(huì)漏掉海底地形信息，因此可得：

v≤2dftanθ

(6)

合理的選擇船速不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，必須進(jìn)行多方面的考慮和評(píng)估后來(lái)決定將采用的船速，建議采用以下的選擇方法：

①按照定位系統(tǒng)的連續(xù)定位能力(即最小定位間隔)及定位點(diǎn)圖上間隔來(lái)決定可采用的最大船速。

②按照測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)深速率及海區(qū)水深來(lái)決定可采用的最大船速。

③選擇上述較小船速值，并對(duì)動(dòng)態(tài)吃水改正及波浪等影響進(jìn)行估算，若超出有關(guān)精度指標(biāo)，則應(yīng)進(jìn)一步降低船速。

(3)潮汐對(duì)水深測(cè)量的影響

在海底地形測(cè)量時(shí)，還需根據(jù)測(cè)區(qū)范圍及測(cè)區(qū)的潮汐特點(diǎn)等因素設(shè)立驗(yàn)潮站，并在測(cè)深的同時(shí)進(jìn)行潮汐觀測(cè)，其目的對(duì)測(cè)深值進(jìn)行潮汐改正，以獲得對(duì)應(yīng)某一深度基準(zhǔn)面的水深值[9]。當(dāng)測(cè)區(qū)在某一水位站控制范圍內(nèi)是，可根據(jù)該站的水位資料進(jìn)行直接改正。為求得瞬時(shí)的水位改正數(shù)，可根據(jù)水位觀測(cè)資料，先繪出水位過(guò)程線。規(guī)范一般要求水位觀測(cè)每 10 min觀測(cè)一次[10]，而測(cè)深值的采樣間隔一般為幾分鐘到幾秒鐘，取決于測(cè)圖比例尺的大小，比例尺越大采樣間隔越密。為了進(jìn)行水位改正，解決兩個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)間不匹配的問(wèn)題，必須進(jìn)行潮汐觀測(cè)值內(nèi)插。通常采用的方法有線性內(nèi)插法、回歸內(nèi)插法、時(shí)差法內(nèi)插和分帶法內(nèi)插法等[11，12]。

3 海底地形測(cè)量技術(shù)方案

3.1 測(cè)深線布設(shè)

測(cè)深線可以分主測(cè)深線、補(bǔ)充測(cè)深線和檢查測(cè)深線。主測(cè)深線是測(cè)深線的主體，它擔(dān)負(fù)著探明整個(gè)測(cè)區(qū)海底地形的任務(wù)；補(bǔ)充測(cè)深線起著彌補(bǔ)主測(cè)深線的作用；檢查測(cè)深線是檢查以上測(cè)深線的水深測(cè)量質(zhì)量，以保證水深測(cè)量的精度。

主測(cè)深線的間隔依測(cè)圖比例尺選擇，一般為圖上 1 cm，允許變通范圍為圖上 0.5 cm～2.0 cm。在測(cè)深間距一定的情況下，應(yīng)正確選擇測(cè)深線方向。依照不同的海域情況，測(cè)深線可采用不同方法布置。

3.2 水位觀測(cè)和測(cè)船定位

由于海水面是不斷變化的，所以在測(cè)量水深的同時(shí)，必須進(jìn)行水位觀測(cè)。水位觀測(cè)的目的是為確定深度基準(zhǔn)面與航行基準(zhǔn)面提供依據(jù)以及為水深測(cè)量提供水位改正值，在水位站附近還應(yīng)該布設(shè)有一個(gè)或若干個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)作為水位站的水尺零點(diǎn)高程引測(cè)和定期檢核的基準(zhǔn)。水尺零點(diǎn)高程的引測(cè)，視其精度一般可按四等水準(zhǔn)或圖根水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。

海底地形測(cè)量時(shí)，測(cè)量船以均勻的速度行使在測(cè)深線上，并按規(guī)定的間距進(jìn)行水深測(cè)量和確定點(diǎn)的平面位置。常用的測(cè)深點(diǎn)定位方法有交會(huì)法、極坐標(biāo)法、無(wú)線電定位法以及GPS定位法。在寬闊的湖泊、河口、港灣及海洋上進(jìn)行定位時(shí)常用GPS定位法。

3.3 水深測(cè)量值的歸算

海洋測(cè)量得到的水深數(shù)據(jù)必須歸算為深度基準(zhǔn)面至海底的垂直距離，所以必須要進(jìn)行海圖深度改正，即瞬時(shí)深度=海圖深度+水位(潮汐)改正。而瞬時(shí)深度必須對(duì)回聲測(cè)深儀的觀測(cè)深度進(jìn)行儀器改正、聲速改正和動(dòng)態(tài)吃水改正，即：

瞬時(shí)深度H=觀測(cè)深度O+儀器改正△I+聲速改正△S+動(dòng)態(tài)吃水改正△D

3.4 數(shù)據(jù)處理

海底地形測(cè)量的外業(yè)工作結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)地進(jìn)行觀測(cè)成果的內(nèi)業(yè)整理，將海底地形點(diǎn)展繪到圖紙上，勾繪等深線。對(duì)于點(diǎn)位精度要求的大比例尺海底地形圖，應(yīng)求出各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行展點(diǎn)。勾繪等深線的目的，在于了解海底地貌的形狀，分析水下探測(cè)的完善性。同時(shí)，也可以發(fā)現(xiàn)特殊深度和分析測(cè)深線布是否合理，從而確定是否需要補(bǔ)測(cè)和加密探測(cè)等。因此，勾繪等深線時(shí)，要仔細(xì)、全面和盡可能地反映出海底地貌的變化情況。

4 工程應(yīng)用及結(jié)果分析

南麂列島位于浙江省東南部海面，隸屬平陽(yáng)縣鰲江鎮(zhèn)，整個(gè)列島由大小52個(gè)(面積大于 500 m2)島嶼組成，海岸線總長(zhǎng) 75 km，陸域面積 11.13 km2。南麂島地處亞熱帶，海洋的自然環(huán)境條件優(yōu)越，特色鮮明。1990年9月經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)列為我國(guó)首批5個(gè)國(guó)家級(jí)海洋類型自然保護(hù)區(qū)之一。南麂列島遠(yuǎn)離大陸，海水清澈，含沙量低，海域底質(zhì)以粉砂質(zhì)黏土為主，海底地形自西向東南下傾，水深一般在 15 m～25 m之間，南麂島東北和西南兩側(cè)為深水通道，其水深在 30 m以上，最深處達(dá) 45 m。該區(qū)域以海蝕地貌為主，岸線曲折，岬角叢生，海灣眾多，礁石密布，沙灘多樣，是江浙沿岸流與臺(tái)灣暖流交匯和交替消長(zhǎng)的區(qū)域。氣候溫和，年平均氣溫為16.5℃，夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒。

本工程對(duì)國(guó)家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站選定的兩塊選址區(qū)域進(jìn)行 1∶2 000水下地形測(cè)繪，并在兩個(gè)選址區(qū)域內(nèi)各采樣底質(zhì)進(jìn)行粒度分析，如圖2所示，以便全面掌握該區(qū)域水下地形和底質(zhì)情況，為建立生態(tài)浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供基礎(chǔ)技術(shù)資料。工期為2015年6月8日～2015年6月22日，總工程量約 2 km2。

(1)選址一：馬祖岙，中心位置(121.0482E，27.4758N)

(2)選址二：大沙岙，中心位置(121°04′04.47″，27°27′21.86″)

圖2 測(cè)區(qū)范圍

4.1 平面坐標(biāo)系統(tǒng)及高程基準(zhǔn)

平面坐標(biāo)系采用WGS84坐標(biāo)系，橫軸墨卡托投影3°帶，中央子午線為120°E，高程(深度)基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)(二期)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，業(yè)主提供的3個(gè)控制點(diǎn)(GD25、GD44、GD45)點(diǎn)位保存完好，準(zhǔn)確可靠，可以作為本次測(cè)量的起算依據(jù)。

4.2 水深測(cè)量

測(cè)前準(zhǔn)備包括：

(1)測(cè)量的儀器檢查：包括用于外業(yè)測(cè)量的設(shè)備是否齊全、儀器是否正常工作、電瓶及鋰電池是否電力充足等。

(2)外業(yè)測(cè)量測(cè)線布設(shè)：測(cè)圖比例1∶2 000，測(cè)線間距不超過(guò) 30 m。

(3)測(cè)量前、后都需用測(cè)試板校準(zhǔn)測(cè)深儀聲速并在測(cè)深紙上記錄。

外業(yè)測(cè)量包括水深測(cè)量、潮位控制、利用HYPACK進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯等。

(1)利用中海達(dá)HD-370全數(shù)字變頻測(cè)深儀和廣州南方S35差分機(jī)連接，形成一個(gè)完善的海上測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用南方S35差分機(jī)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的優(yōu)勢(shì)，獲取每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平面坐標(biāo)，以“GD25”為基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量。

(2)根據(jù)測(cè)區(qū)的特點(diǎn)決定采用驗(yàn)潮模式進(jìn)行水深測(cè)量，并以“GD025”作為驗(yàn)潮站。

(3)嚴(yán)格執(zhí)行《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》(JTS131-2012)[10]，測(cè)量前進(jìn)行必要的儀器校準(zhǔn)。采用國(guó)際通用的Hypack 4.3疏浚軟件施測(cè)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集差分機(jī)收到的平面坐標(biāo)、潮位及同步的水深數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄時(shí)間并存盤，顯示航跡，測(cè)量時(shí)現(xiàn)場(chǎng)填寫外業(yè)工作記錄表。

(4)外業(yè)測(cè)量時(shí)，值班人員必須注意測(cè)線航跡間距、測(cè)深紙記錄、差分機(jī)接收等情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)情況異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

4.3 成圖編繪整理

水下地形及淺灘測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，統(tǒng)一采用CASS7.0軟件經(jīng)無(wú)縫連接形成最終成果圖，如圖3所示。

圖3 最終成果圖

4.4 結(jié)果分析

將處理后的水深值插入等深線后，根據(jù)等深線的分布呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，可依次分析解釋水下地形地貌，判斷適合作為生態(tài)浮標(biāo)選址。從圖3可以看出，該區(qū)域整體水深由西向東變淺，東部等深線密集，顯示水深變化變化較大，反映出這塊區(qū)域地形較為急劇。中西部區(qū)域等深線相對(duì)稀疏，且深度較東部變深，水深變化相對(duì)平緩，地形變化較東部平坦很多。掌握了該區(qū)域水下地形和底質(zhì)情況，便可為建立生態(tài)浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供基礎(chǔ)技術(shù)資料。

5 結(jié) 語(yǔ)

海洋測(cè)繪是我國(guó)測(cè)繪科學(xué)技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，水深測(cè)量是海洋測(cè)繪中的主要內(nèi)容。本文通過(guò)對(duì)水深測(cè)量的基本原理、水深誤差分析做了簡(jiǎn)要介紹，并以南麂列島生態(tài)浮標(biāo)選址海底地形測(cè)量項(xiàng)目為例，敘述了單波束測(cè)深儀配合潮位觀測(cè)進(jìn)行水深測(cè)量數(shù)據(jù)采集與處理的全過(guò)程。單波束水深測(cè)量技術(shù)已經(jīng)在海洋測(cè)量中得到普遍應(yīng)用，為了更好地實(shí)現(xiàn)水下地形的測(cè)量工作，不僅充分考慮儀器的精確度，選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量?jī)x器，還要對(duì)其他的測(cè)量方面進(jìn)行充分的兼顧，從而不斷推進(jìn)我國(guó)海洋測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展。

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Seabed Terrain Measurement Technology in Location of Nanji Island Ecosystem Buoy

Zhu Yong1，Chen Liangzhou2

(1.Yangzhou Polytechnic College，Yangzhou 321009，China；2.The eleventh Geological Brigade of Zhejiang Province，Wenzhou 325006，China)

This paper introduces the influence of water depth measurement method，measurement error factors and depth of the seabed terrain survey technology，and the ecological location of Nanji Islands buoy seabed terrain survey project as an example，describes the single beam with artificial tidal observation were bathymetric surveying the whole process，and the results are analyzed.

water depth measurement；error analysis；bathymetric surveying；ecological buoy site selection

1672-8262(2017)04-130-04

P229.1

B

2016—12—29

朱勇(1979—)，男，碩士，講師，主要從事《數(shù)字測(cè)圖》、《工程測(cè)量》等課程的教學(xué)以及研究工作。