测绘师综合能力：海洋测量 - 什么是海洋测量工具

曙光行动 · 发表于海洋调查船 2024-5-23 03:05:16

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2.2 海洋测量

2.2.1 技术设计

海洋测量技术设计的主要内容：

(1)确定测量目的和测区范围；

(2)划分图幅及确定测量比例尺；

(3)确定测量技术方法和主要仪器设备；

(4)明确测量工作的重要技术保证措施；

(5)编写技术设计书和绘制有关附图。

技术设计工作步骤分为：资料收集和分析、初步设计、实地勘察、技术设计书编制等阶段。其中技术设计书的内容为:

(1)任务的来源、性质、技术要求；

(2)测区的自然地理特点；

(3)技术设计所依据技术标准、技术规范、规程以及原有测量成果的采用情况；

(4)各施测控制点的等级、标石类型及数量；

(5)水深测量图幅、测深里程、航行障碍物的数量；

(6)海岸地形测量的图幅、面积及岸线长度；

(7)作业所需的各种仪器、器材、船只类型和数量；

(8)根据测区地理气象及技术装备条件，计算各种测量作业的工作量和工作天数；

(9)根据测区特点和作业技术水平，提出适当的作业方法和注意事项，以及具体技术要求。

2.2.2 控制测量

2.2.2.1 平面控制测量

海洋平面控制测量的方法有：三角测量、导线测量、卫星定位测量等。

按平面控制精度，海洋平面控制点分为：海控一级点(H1)、海控二级点(H2)、测图点(Hc)。海控点的分布应以满足水深测量和海岸地形测量为原则。海控一、二级点布测的方法主要采用GPS测量、导线测量和三角测量，测图点可采用GPS快速测量法、导线、支导线和交会法测定。海洋平面控制测量基本要求和投影分带规定见下表，海控点和测图点的基本精度指标见下表。

表1 平面控制测量基本要求和投影分带规定

海图比例尺（S）

最低控制基础

直接用于测量

投影

S>1:5000

国家四等点

H1

高斯（1.5°带）

1:5000≥S＞1:1万

H1

H2

高斯（3°带）

S≤1:1万

H2

Hc

高斯（6°带）

S≤1:5万

/

墨卡托

表2 海洋测量控制点精度指标

限差项目

H1

H2

Hc

测角中误差（″）

±5

±10±10

相对相邻起算点的点位中误差（m）

±0.2

±0.5

/

测距相对中误差

1/50000

1/25000

交会点最大互差

1:1万

/

1

小于1:1万

/

2

测定平面控制的主要控制点时，采用常规大地测量方法，其相对误差不大于 1/100000；采用卫星定位方法，在置信度为95%时，定位误差不超过10cm。测定次级控制点时，采用常规大地测量方法，其相对误差不大于 1/10000；采用卫星定位方法测定时定位误差不超过50cm。

2.2.2.2 高程控制测量

海洋高程控制测量的方法主要有：几何水准测量、测距高程导线测量、三角高程测量、GPS高程测量等。海洋高程控制测量的有关技术要求如下:

(1)在有一定密度的水准高程点控制下,三角高程测量和GPS高程测量是测定控制点高程的基本方法；

(2)电磁波测距三角高程测量可代替四等水准测量和等外水准，但三角高程网各边的垂直角应进行对向观测；

(3)用于三角高程起算的海控点、测图点、验潮水尺零点、工作水准点及主要水准点，均应用水准联测的方法确定其高程。用水准联测高程时，必须起测于国家等级水准点。验潮站水准点与验潮站水尺间的联测，按等外水准测量要求施测；

(4)GPS 高程测量时，应对测区的高程异常进行分析。在地貌平坦区域，已知水准点距离不超过15km点数不少于4个；困难地区，水准点分布合理情况下不少于3个，解算出的未知点高程在满足规范要求时可作为相应等级的水准高程(外推点除外)使用。

2.2.2.3 深度基准面的确定与传递

海洋测深是确定海底表面至某一基准面的差距。确定深度基准面的基本原则：

(1)充分考虑船舶航行安全；

(2)保证航道或水域水深资源的利用效率，衡量航道水深资源利用率的尺度就是深度基准面保证率；

(3)相邻区域的深度基准面尽可能一致。

我国采用理论最低潮面作为深度基准面。深度基准面的高度从当地平均海面起算。深度基准面一经确定且在正规水深测量中已被采用者，一般不得变动。

2.2.3 海洋测量定位

海洋定位通常是指利用两条以上的位置线，通过图上交会或解析计算的方法求得海上某点位置的理论与方法。海上位置线一般可分为方位位置线、角度位置线、距离位置线和距离差位置线四种。通常可以利用两条以上相同或不同的位置线定出点位。目前海洋定位的方法主要有：光学定位、无线电定位、卫星定位、水声定位等。

(1)光学定位的方法主要有前方交会法、后方交会法、侧方交会法和极坐标法等。

(2)无线电定位是指利用无线电波测定测量船至岸上控制点的距离或距离差，从而确定测量船位置。无线电定位技术常采用测距、测距差或两种方法混合使用，高精度定位采用测距方式进行定位。无线电定位按工作原理分为：脉冲测距、相位双曲线、脉冲双曲线等工作方式；按定位方式分为：圆一圆法(两距离法)定位和双曲线法(距离差法)定位。

(3)卫星定位是目前海上定位的主要手段。差分卫星定位是通过建立基准站，观测计算并发送卫星定位改正数，用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得更为精确的定位结果。根据差分 GNSS 基准站发送信息方式的不同可分为：位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分、相位差分。

(4)水声定位是通过测定船台设备和水下设备间的声波信号传播时间或相位差,进行的海上定位。水声定位的基本定位方式有测距和测向两种，工作方式有直接工作、中继工作、长基线工作、短基线工作、拖鱼工作等。

2.2.4 水文观测

海洋水文观测是指在某点或某一断面上观测各种水文要素，并对观测资料进行分析和整理的工作。主要观测海水温度、盐度、密度、含沙量、化学成分、潮汐、潮流、波浪、声速等要素，为编辑出版航海图、海洋水文气象预报、海洋工程设计以及海岸变迁和泥沙淤积等海洋科学研究提供资料。考虑海洋测绘的实际需要，主要介绍潮汐、潮流、声速等主要海洋水文要素及其观测方法。

2.2.5 水深测量

水深测量的主要技术方法有单波束与多波束回声测深及机载激光测深等。水深测量主要工作流程包括水深数据采集、水深数据处理、水深成果质量检查、水深图输出等。

2.2.5.1 单波束测深

单波東测深也叫回声测深，其基本原理是在测深仪器一个测深周期内仅发射一个声波脉冲，利用收发换能器发射和接收声波来进行水深测量。

单波束测深波束的指向性波束宽度和发射脉冲的宽度分别影响被测目标的方位和深度分辨率。

单波束测深需要对测深仪测量的水深值进行吃水改正、换能器基线改正、转速改正及声速改正等。目前，对各项改正一般采用综合处理，求取总改正对测量深度的影响。通常采用的改正方法有校对法和水文资料法。

(1)校对法适用于小于 20m 的水深。利用校准工具如带有刻度电缆的水听器、带有刻度缆绳的比对板等，置于换能器下面一定深度处，读取校对工具的入水深度，与测深仪的读数相比较，差值为测深仪总改正数。

(2)水文资料法适用于大于 20m 的水深。利用实测数据(包括各水层的温度、盐度、深度)分别利用相应的公式求取各改正数，最后求取测深仪总改正数。

2.2.5.2 多波束测深

多波束测深系统，主要由多波束声学系统、多波束采集系统、数据处理系统和外围辅助传感器等组成。其中，换能器为多波束的声学系统，负责波束的发射和接收；多波束采集系统完成波束的形成和将接收到声波信号转换为数字信号，并反算其距离或记录声波往返换能器面和海底的时间；外围设备主要包括定位传感器、姿态传感器、声速剖面仪和电罗经等，实现测量船瞬时位置、姿态、航向以及声速传播特性;数据处理系统以工作站为代表，综合声波测量、定位、船姿、声速剖面和潮位等信息，计算波束脚印的坐标和深度，并绘制海底地形图。

多波束参数校正：多波束测深系统结构复杂，各种传感器和换能器的安装一般无法达到理论设计的要求，因此需要进行参数校正，多波束参数校正顺序通常是导航延迟、横摇、纵摇和艏偏校正。

(1)导航延迟校准。根据导航延迟特性,同一孤立点位置在不同速度测量时会移位，通过该移位长度及船速即可计算出导航延迟偏差。选择一个斜坡或具有明显特征的孤立点的较浅海域，沿同一测线相同方向不同速度测量一对测线数据。当调整时间延迟至两次测量的斜坡特征地形沿航迹方向重合时，记录此时的参数即为最终的时间延迟。

(2)横摇校准。对于横摇校准，选择一平坦海底，沿同一测线往返测量地形，将所有波束沿航线方向进行垂直正投影。如果没有横摇安装误差存在，则两次地形应完全重合，否则在投影图上两次地形会出现交角，调整横摇参数使得交角为零，两次地形重合，记录此时的横摇参数即为横摇校正值。

(3)纵摇校准。选择一个较深斜坡海域，沿同一测线以测量船速进行往返测量。根据纵摇特性，同一孤立点位置在往返测量中会移位，通过该移位长度及水深即可计算出纵摇偏差。

(4)艏偏校准。电罗经安装误差(艏偏)引起波束沿中央波束旋转，仅影响波束平面位置，对边缘波束影响较大。校准时通过选择具有明显特征孤立点的海域，沿孤立点两边布设两平行直线，要求孤立点位于两测线中间，同时测线要求有大约 50%重复覆盖。通过孤立点在两次测量的位移及孤立点到测线距离即可计算出艏向偏差。

2.2.5.3 机载激光测深

机载激光海洋测深技术是利用绿光或蓝绿光易穿透海水，而红外光不易穿透海水的特点,用光激射器。光接收器、微机控制、采集、显示、存储及辅助设备组成机载激光测深系统。在飞机平台上安装激光发射器向海面发射两种不同波长的激光(红外光和绿光),红外光被海面反射和散射，而绿光透射至海水中，经水体散射、海底反射。光接收器分别接收这些反射光，探测并数字化处理回波信号，得到机高和水深数据信息。机载激光系统测深能达 50m。

2.2.5.4 测线布设

水深测量测线一般布设为直线，又称测深线。测深线分为主测深线和检査线两类。主测深线是实施测量的主要测量路线，检查线是对主测深线的测量成果质量进行检测而布设的测线。

测线布设的主要因素是测线间隔和测线方向。测深线的间隔根据测区的水深、底质、地貌起伏状况，以及测图比例尺、测深仪器覆盖范围而定。对单波束测深仪而言，主测深线间隔一般采用为图上10mm。多波束测深系统的主测线布设应以海底全覆盖且有足够的重叠带为原则，其检査线应当至少与所有扫描带交叉一次，以检查定位、测深和水深改正的精度，两条平行的测线外侧波束应保持至少20%的重叠。

测深线方向是测深线布设所要考虑的另一个重要因素。选择测深线布设方向的基本原则：有利于完善地显示海底地貌，有利于发现航行障碍物。对于多波束测深，还要考虑测量载体的机动性、安全性、最小测量时间等。主测深线方向应垂直于等深线的总方向，对狭窄航道，测深线方向可与等深线方向成 45°角。

2.2.5.5 水深改正与精度要求

水深改正包括吃水改正、姿态改正、声速改正、水位改正。

（1）吃水改正

吃水改正包括静态吃水改正和动态吃水改正。根据换能器相对船体的位置，换能器静态吃水可按几何关系求解。动态吃水就是要确定作业船在静态吃水的基础上因航行造成的船体吃水的变化，这种变化有时也称作航行下沉量，它受船只负载、船型、航速、航向、海况以及水深等诸多因素的综合影响。

（2）姿态改正

测量船在勘测过程中，由于受到风浪和潮汐等因素的影响，会造成船体的纵摇、横摇和航向的变化。为了消除船体行进中因摇晃和方位变化导致的位置误差，需要进行姿态测量和改正。姿态测量通常分两部分:采用惯性测量系统(ISS)测量船体的纵摇角和横摇角；采用电罗经或GNSS测定船艏向的方位角。姿态改正实际上就是坐标系统变换，通过测量的姿态角，进行坐标轴的旋转，对测船姿态进行改正。

（3）声速改正

对于单波束测深来说，声速误差仅影响测点的深度，在未实测声速剖面的情况下，通常在现场利用己知水深比对来对实际声速值进行改正。对于多波束测深，通常用现场实测声速剖面采用声线跟踪对波束进行精确归位，但由于以点代面的实测声速剖面对不同区域可能存在误差，因此有时还需进行声速后处理改正。

（4）水位改正

为了正确地表示海底地形，需要将瞬时海面测得的深度，计算至平均海面、深度基准面起算的深度,称为潮位改正或水位改正。在验潮站的作用范围内，瞬时水面的潮汐可通过诸验潮站的潮位观测值内插获得，即潮汐内插。内插的方法通常有线性内插、回归内插、时差法内插、分带内插、水位改正最小二乘参数法等。根据验潮站的布设及控制范围，水位改正分为单站改正、双站改正、多站改正。

（5）测深精度水深测量中，定位点的点位中误差:大于1:5000比例尺测图时应不大于图上1.5mm，小于(含)1:5000大于(含)1:10万比例尺测图时应不大于图上 1.0mm，小于1:10万比例尺测图时应不大于实地100m。

在 GB12327-1998《海道测量规范》中规定了水深测量的极限误差(置信度 95%),见下表。

表3 水深测量极限误差单位:m测深范围Z

极限误差

0＜Z≤20

±0.3

20＜Z≤30±0.430＜Z≤50±0.550＜Z≤100±1.0Z＞100±Z*2.0%

2.2.6 海道和海底地形测量

海道测量除了获得水深、水文等基本信息外，还需要对影响船舶航行和锚泊的其他要素进行观测，包括障碍物探测、助航标志测量、底质探测、滩涂及海岸地形测量等。

2.2.6.1 障碍物探测

航行障碍物探测是海道测量工作的重要内容之一。为了保证船只的航行安全以及海洋工程的需要，对危及船只航行安全的障碍物如礁石、沉船、浅地等均应准确测定其分布、性质、大小、位置等。航行障碍物探测的主要方法有侧扫声呐探测、多波束探测、单波束加密探测、扫海具扫测、磁力仪探测等。各类障碍物位置至少应有一组多余观测，且其位移不得大于5m，取中数作为最终位置。

(1)侧扫声呐扫测。侧扫声呐又称地貌仪,是基于回声探测原理进行水下目标探测的,即运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态和目标，直观地提供海底声成像的一种设备。

(2)单波束加密测量。单波束加密测量主要用于测区位置明确或水深测量时新发现障碍物、浅点、礁石等特殊目标物复测。测量时以目标物为中心，垂直、交叉形向两侧布设测线，测线间距为5~10m。应测出目标物最浅点水深、目标物范围等。

(3)扫海具扫测。扫海具扫测按扫具性质分为软式扫海具扫测和硬式扫海具扫测两种。前者适用于有概位的沉船、沉没的浮筒、沉石等小面积水底障碍物的搜寻，适用于新建码头前沿和港池(平坦)水域的通航前扫测。软式扫海具扫测是由扫绳及拖索组成,扫绳所挂铅质坠锤,在两端的较重，中间的可适量减轻，以能坠绳沉底即可。

(4)磁力仪探测。磁力仪适用于水下铁磁性障碍物(如沉船、遗锚、管道、废弃钻井设备等)产生的磁异常探测等工作。

2.2.6.2 助航标志测量

助航标志指浮标、定向信标、灯塔、灯桩、导标、无线电定位系统以及其他标绘在海图上的有关航行安全的设备或标志。其作用是确定航道方向，反映航道宽度，标示航道上的水下航行障碍物，引导舰船安全航行。

陆上助航标志测量包括测定助航标志位置和高度。

(1)位置测定。灯塔、灯桩、立标等助航标志应按照测图点精度要求测定其准确位置。对测深及航海有使用价值的天然目标如海上独立岩峰、礁石、山顶独立石等显著物标的位置测定精度可放宽一倍，两组观测值坐标互差不应超过 2m。导标、测速标等成对的标志，其中一点必须设站观测，前后导标的真方位角须由直接观测的角度算出。

(2)高度测定。灯塔、灯桩的灯光中心高度从平均大潮高潮面起算，同时还应测量灯塔底部高程。

由于水上浮标随海流和潮汐变化，浮标的实际位置以锚为中心在一定范围内移动，所以应测定其平流时的位置和最大涨落潮时的旋回半径。浮标的位置测定可采用在岸上交会法和用测量船只靠近浮标直接测定两种方法。

2.2.6.3 底质探测

底质探测是指对海底表面的沉积物性质进行探测，是为了获得船舶航行、锚泊所需的海底表层底质分布的资料。

底质探测一般采用机械式采泥器、超声波探测等方式。机械式采泥器具包括水铊和测深杆、采泥器重力式取样管和底质采集器。超声波探测底质主要使用单波束测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面仪等。底质探测的密度根据海区的重要程度和底质情况而定。水深在 100m 以内的海区均需探测海底表层底质。底质点的密度一般为图上 25c㎡有一底质点;航道、错地、码头附近，以及重要的礁石周围和底质变化复杂的海区，一般为图上 4~9c:有一底质点;在底质变化不大的海区可以 50~100c㎡有一个底质点。持殊深度和各种航行障碍物均应探测底质。

2.2.6.4 滩涂及海岸地形测量

（1）干出滩测量

海岸线至水深零米线间的海滩称为干出滩(又称潮间带)。干出滩的性质、范围、地形、干出高度(从深度基准面起算)，可采用地形测量方法或水深测量方法测定。重要的大面积干出滩的地形测量，可采用水深测量和航空摄影测量相结合的方法进行。在高潮时进行水深测量，以求得断面点的干出深度；低潮时进行航空摄影测量，以判读干出滩上地形起伏和微地貌特征。内业处理时，根据两种资料进行综合，绘制干出滩上的地形图。

对各种于出滩的性质，测量时必须说明注记。当干出滩上为两种(含)以上性质时，必须分别测绘。干出滩的外边缘采用水深测量资料。凡在测图板以内的明礁。干出均应测定其位置、高程(或于出高度)。

（2）海岸地形测量海岸地形测量指对海岸线位置、海岸性质、沿岸陆地和海滩地形进行测量。实测海岸地形时，海岸线以上向陆地方向测进:大于(含)1:1万比例尺为图上1cm;小于1:1万比例尺为图上0.5cm。密集城镇及居民区可向陆地测至第一排建筑物。海岸线以上部分，按国家相应比例尺地形图航空摄影测量规范执行，当有同比例尺或大比例尺最新地形资料可利用时，可只对最新变化进行修测。海岸线以下测至半线，与水深测量成果图相拼接。人工建筑码头地区应测量完整，需要取舍时，应保留对航海有意义的全部要素，突出显示海岸线。

海岸地形图测量可逸用全站仪极坐标法、GNSS测量法、航空摄影测量法方法。海岸线应进行实测。海岸线可根据海岸的植物边线、土壤和植被的颜色、湿度、硬度以及流木、水草、贝壳等冲积物来确定位置。有滩地区从倾斜变换点起算，无滩地区从形成海岸线的痕迹线算起。在河口地区测绘海岸线时，潮差较大的地区，按平均大潮高潮线测绘;在河水影响大于潮汐影响的河口内部地段，则以河水的常水位(一年大部分时间平衡的水位)作为河岸线。海岸测量位置最大误差不得大于图上1.0m,其转折点的位置误差不得大于图上0.6mm，图上实测的海岸线位置与其他地物位置发生矛盾时，不得移动海岸线位置。陡岸、堤岸均须注记比高，测注精度为0.1m。

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