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。除此之外，更简易的方法有测深杆和水铊。测深杆适用于流速小于 1m/s，且水深小于 5m 的测区的深度测量，水铊适用于流速小于1m/s，且水深小于 10m 的特殊测区的深度测量。
● 单波束测深
（1）测深仪的工作原理
单波束测深也叫回声测深，其基本原理是采用换能器垂直向下发射一个声波脉冲，当这个脉冲声波遇到海底时发生反射，换能器接收反射回波。其水深值由声波在海底间的双程旅行时间和水介质的平均声速确定。单波束测深仪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。
单波束测深的特点是波束垂直向下发射，接收反射回波，因此声波旅行中没有折射现象或折射现象可忽略不计，反射波能量占回波能量的全部或绝大部分。单波束测深过程采取单点连续的测量方法，其测深数据分布特点是沿航迹数据十分密集，而在测线间没有数据。
（2）测深仪的检验与校正
出测前应对回声测深仪进行下列试验：①停泊稳定性试验。试验场必须选择在水深大于 5m 海底平坦处，连续开机时间不得少于 8h；试验中，每隔 15min 比对一次水深，水深比对限差应在 0.4 m 以内。②航行试验。当测深仪换能器安装后或变换位置时都应进行航行试验。试验时，选择水深变化较大的海区，检验测深仪在不同深度和不同航速下工作是否正常。试验不合格的仪器，不能用于测深。
使用测深仪时，应测定仪器的总改正数。总改正数包括以下各项改正数的代数和：仪器转速改正数（测深仪实际转速与设计转速不同的改正）、声速改正数（实际声速与设计声速不同的改正）、吃水改正数（水面到换能器底面垂直距离的改正，包括静态和动态吃水改正数的代数和）以及换能器基线改正数（发射换能器与接收换能器位置不一致的改正）。通常采用的改正方法有校对法和水文资料法。
① 用校对法直接求测深仪总改正数适用于 0 - 20m 的水深，可用水听器或检查板对测深仪进行校正。用校对工具测得的深度与测深仪的读数相比较，求出测深仪总改正数。
② 利用水文资料计算测深仪改正数适用于 20 - 200m 的水深，利用实测水文数据（包括各水层的温度、盐度、深度）分别使用相应的公式求取各改正数，最后求取测深仪总改正数。
●多波束测深
与传统的单波束测深系统每次测量只能获得测量船垂直下方一个海底测量深度值相比，多波束探测能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越。
（1）多波束系统的组成
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的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、电罗经和声速剖面仪等，用于测量船的瞬时位置、姿态、航向以及声速剖面；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。
发射/接收波束的几何形状
（2）多波束系统的工作原理
多波束测深系统以一定的频率发射沿航迹方向开角窄而垂直航迹方向开角宽的波束，形成一个扇形声传播区。多个接收波束横跨与船龙骨垂直的发射扇区，接收波束垂直航迹方向很窄，而沿航迹方向的波束宽度取决于所使用的纵摇稳定方法。单个发射波束与接收波束的交叉区域称为脚印。一个发射和接收循环为一个声脉冲。一个声脉冲获得的所有脚印的覆盖宽度为一个测幅。
（3）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 导航延迟校正
导航延迟与船只航行速度有关，它引起测点沿航迹方向的前后位移。根据同一点的位置在不同的速度测量时会移位这一特性，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 横摇校正
横摇偏差校正是针对多波束系统的换能器在安装过程中可能存在的横向角度误差而引入的一种校正方法。它的校正方法是，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 纵摇校正
换能器纵向安装角度存在偏差也会引起测点沿航迹前后发生位移。纵摇偏差校正应选择一个较深斜坡海域，沿同一测线匀速进行往返测量。根据纵摇特性，同一孤立点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（shǒu）偏校正
艏：船的前端或前部。艏线：在罗经及分罗经上，划有一道黑线，以表示艏之方向，称为艏线。
艏偏即为电罗经安装误差，电罗经偏差的存在将会造成测点位置以中央波束为原点的旋转位移，即这种位移具有在中心波束处为零，但在边缘波束处增至最大的特点。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。
（4）多波束测量野外工作的实施
多波束测深系统海上勘测实施的过程包括测前试验、测前准备、数据采集和数据处理四个部分。
在海上测量前，要对多波束测深系统及各种外围设备进行检查、测试和校准。应对多波束测深仪进行下列试验：①停泊稳定性试验。选择水深大于 20m 的海底平坦区，连续开机 8h 以上，比对中央波束的水深限差应小于±0.3m。②航行试验。当测深仪换能器安装后或变换位置时都应进行航行试验。试验时，选择水深变化较大的海区，检验测深仪在不同深度和不同航速下工作是否正常。试验不合格的仪器，不能用于测深。
完成测前试验后，即要进行实测前的准备。启动主机和实时采集计算机，装入声呐参数、声速剖面测量（SVP）文件，并根据实际情况进行修改。根据工作计划输入导航测线，并根据已有资料估算测量起始点的水深值，启动多波束测深系统处于发射状态。每次启航及返航后，要测量换能器吃水深度，作为吃水改正的依据。进行现场声速剖面测量，并输入到系统中。指挥测量船在预定的测线方向上保持匀速直线航行，做好数据记录。最后对数据进行处理，包括每天的预处理和整体数据的后处理。
（5）多波束测深数据编辑
多波束测深数据是在高度动态的海洋中采集的，由于仪器自噪声、复杂的海况因素或者多波束声呐参数设置不合理，导致勘测数据中含有大量误差和噪声，因此必须对测深数据进行编辑，其编辑计算方法主要有投影法和曲面拟合法两种。
① 投影法。多波束系统采集的水深数据是三维的，对测线数据进行编辑时，首先必须把水深数据投影到平面中去，然后才能进行编辑工作。投影方法主要有三种，沿测线前进方向投影、正交测线方向投影和垂直正投影。测线前进方向投影，就是把水深点投影到与测线正交的平面上。正交测线方向是以时间为横轴，水深为纵轴，在编辑界面上水深数据是以一个个波束的形式显示的。垂直正投影是把测深数据按经纬度坐标位置投影到水平面上。在海底地形变化极其复杂的海区，常采用垂直正投影进行编辑。
② 曲面拟合法。海底地形一般是连续变化的，而多波束测量是全覆盖的高精度测量，测量的资料能反映海底地形的全貌。根据这一特点，用一定的曲面拟合海底面，超出曲面一定范围的数据点称为跃点，应该剔除掉。曲面拟合常用的计算方法有贝济埃法、B 样条法、最小二乘拟合法等。
●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，而红外光不宜穿透海水的特点，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，而绿光投射至海水中，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。机载激光系统由光激射器、光接收器、微机控制、采集、显示、存储及辅助设备组成。机载激光系统测深能达 50m。
●测深线布设
测深线分为主测深线和检查线两类，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。测深线的布设主要应考虑测深线的方向和间隔。
（1）测深线的方向
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。在下列情况下，布设测深线的要求为：
① 沙嘴、岬角延伸处，一般应布设辐射线，如布设辐射线还难以查明其延伸范围时，则应适当布设平行其轮廓线的测深线。
② 重要海区的礁石与小岛周围应布设螺旋形测深线。
③ 锯齿形海岸，测深线应与岸线总方向成 45°角。
④ 在测深过程中，应根据海底地貌的实际情况，对计划测深线进行适当调整。
⑤ 使用多波束测深仪时，测深线的布设宜平行于等深线的走向。
（2）测深线的间隔
测深线间隔的确定应顾及海区的重要性、海底地貌特征和水深等因素。对单波束测深仪而言，原则上主测深线间隔为图上 1cm。对于需要详细探测的重要海区和海底地貌复杂的海区，测深线间隔应适当缩小，或进行放大比例尺测量。
检查线的方向应尽量与主测深线垂直，分布均匀，并要求布设在较平坦处，能普遍检查主测深线。检查线总长应不少于主测深线总长的 5%。
多波束测深系统的主测深线布设应以海底全覆盖且有足够的重叠带为原则，其检查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。
●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。
（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，通常在现场利用已知水深比对来对实际声速进行改正。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
水位改正是将瞬时海面测得的深度计算至深度基准面起算的深度。在验潮站的作用范围内，瞬时水面的潮汐可通过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、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。
① 单站水位改正法可采用图解法或解析法。图解法是通过绘制水位曲线图来进行潮汐改正，解析法是利用计算机以观测数据为采样点进行多项式内插来求得测量时间段内任意时刻的水位改正数。
② 利用两个验潮站进行水位改正时，可使用线性内插法、分带改正法或时差法等。只有在狭窄航道，且潮波传播方向与两站连线基本平行时，方可利用两个验潮站的水位进行两站间的水位改正，否则应采用三个验潮站的水位进行瞬时水位改正。
③ 利用三个验潮站进行水位改正时，可使用时差法、分带内插法或解析模拟法等。
（5）测深精度
水深测量极限误差（置信度 95%）的规定见下表：
（6）测深手簿整理
① 在测深方法简要说明一栏填写：定位方法，测深工具和测定底质工具，测深仪的检查方法。
② 手簿每页开始应记载日期、线号、航向、航速。当测深中改变航向、航速或换标时应及时记录。当测量船转向时，应在手簿中水深一栏内以铅笔划一斜线表示。
③ 经分析确定不采用之成果，应用铅笔以斜线划去，并注明原因，当事者签名。
④ 在变换测深工具时，用符号文字说明；在手簿内应描绘干出礁、明礁、石陂的形状和范围，并注明正北方向。
●测图比例尺和标准图幅
水深测量的基本测图比例尺必须根据实际需要和海底地貌的复杂程度而定，一般规定为：
（1）海港、锚地、狭窄航道及具有重要使用价值的海区，以 1:2000 - 1:2.5 万比例尺施测；
（2）开阔的海湾、地形较复杂的沿岸及多岛屿地区，以 1:2.5 万比例尺施测；
（3）地貌较平坦的沿岸开阔海区，以 1:5 万比例尺施测；
（4）离岸 200 海里以内海域，以 1:10 万或 1:25 万比例尺施测；
（5）离岸 200 海里以外海域，一般以 1:50 万比例尺施测。
为了详细显示海底地貌，对个别地段可进行放大比例尺测量，但其控制基础仍按原比例尺要求。海岸地形测量的测图比例尺与水深测图比例尺相同。
测图分幅应以较少图幅覆盖整个测区为原则。具体分幅时，尽量与海图出版图幅一致，并适当照顾海区的完整性。
水深测量的标准图幅尺寸为：
（1）50cm×70cm
（2）70cm×100cm
（3）80cm×110cm
海岸地形测量的标准图幅尺寸为 50cm×50cm 或与水深测量图幅一致。
