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        無驗(yàn)潮水深測量測深精度分析及檢驗(yàn)

        2022-04-02 08:06:42樂吳年豐張
        測繪地理信息 2022年2期
        關(guān)鍵詞:水底潮水換能器

        歐 樂吳年豐張 建

        1海軍南海工程設(shè)計(jì)院,廣東 湛江,524006

        2中國海警局直屬第三局,廣東廣州,520320

        3中國電建集團(tuán)青海省電力設(shè)計(jì)院有限公司,青海 西寧,810008

        隨著RTK(real-time kinematic)測高精度提高且可靠性得到保證,利用實(shí)時(shí)的接收機(jī)三維坐標(biāo),結(jié)合測深設(shè)備能夠直接推算出實(shí)時(shí)水下高程,即無驗(yàn)潮水深測量方法隨之而生。RTK技術(shù)自動(dòng)化程度高,能夠全天候不間斷地作業(yè),大大減少了測量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。20世紀(jì)末,德國聯(lián)邦海事局和漢諾威大學(xué)大地研究院合作,對(duì)利用GPS大地高信息進(jìn)行水深歸算進(jìn)行了試驗(yàn)論證,成果分析表明DGPS(differential-GPS)/OTF技術(shù)能夠提供很好的測高精度,不受水位、吃水、涌浪影響的實(shí)時(shí)水深改正將成為可能。桑金[1]在國內(nèi)較早地采用了GPS大地高的信息進(jìn)行水深改正,認(rèn)為這是一種實(shí)時(shí)的、與動(dòng)吃水無關(guān)的、無驗(yàn)潮站的水位改正方法,可認(rèn)為是我國無驗(yàn)潮水下地形測量的初步探索。李凱鋒等[2]利用無驗(yàn)潮水深測量系統(tǒng)定位設(shè)備,采集了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩組定位數(shù)據(jù),從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位兩個(gè)方面分析了不同長度基線的解算結(jié)果。結(jié)果表明:基線長度在40 km范圍以內(nèi),定位結(jié)果完全滿足測量精度要求。隨著GNSS定位精度的提高,以及CORS等技術(shù)帶來的操作便利,無驗(yàn)潮測水深技術(shù)也得到了大規(guī)模的拓展,應(yīng)用更加廣泛[3-9]。

        1 兩種水深測量方式的原理

        1.1 驗(yàn)潮水深測量原理

        測船上由RTK技術(shù)實(shí)時(shí)獲得接收機(jī)的平面位置(x,y),由測深儀測出換能器與水底間垂直距離S,驗(yàn)潮人員定期觀察記錄水位值H驗(yàn)潮,內(nèi)業(yè)處理,結(jié)合換能器吃水h,推算出各個(gè)水底定位點(diǎn)的高程,如圖1所示。

        圖1 驗(yàn)潮水深測量示意圖Fig.1 Non-Tidal Observation Survey Method Diagram

        1.2 無驗(yàn)潮水深測量原理

        聯(lián)測帶有潮位高程基準(zhǔn)的高程點(diǎn),將RTK給出的大地高改正至和潮位高程基準(zhǔn),而后,通過RTK技術(shù)直接獲的接收機(jī)天線中心的三維坐標(biāo)(x,y,H),測深儀同步給出換能器與水底的距離S,結(jié)合測桿長度L,直接獲取水底定位點(diǎn)的高程,如圖2所示。

        圖2 無驗(yàn)潮水深測量示意圖Fig.2 Tidal Observation Survey Method Diagram

        理想情況下,水底深度實(shí)時(shí)獲得,幾乎不需要后處理工作。

        顧及測船姿態(tài)因素的影響,式(2)中的測桿長度L需換算至GNSS天線中心到換能器之間的真實(shí)垂直距離,換能器至水底的距離S也要換算至水底點(diǎn)垂直至水面的距離,同時(shí)更新測深記錄點(diǎn)的平面位置,相應(yīng)內(nèi)容在§2.2節(jié)進(jìn)行論述。

        在大面積水域(海洋)測量中,由于上下游水位存在坡降比,大面積測量范圍還存在高程異常不均勻的情況,往往需要在水域測區(qū)內(nèi)分設(shè)幾處驗(yàn)潮點(diǎn),不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且在復(fù)雜海域并不易實(shí)現(xiàn),此時(shí)無驗(yàn)潮方法顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。

        2 無驗(yàn)潮水深測量精度分析

        無驗(yàn)潮水深測量的精度受到測深系統(tǒng)安裝、測船姿態(tài)、測區(qū)高程異常等方面影響。

        2.1 水深測量系統(tǒng)安裝的影響

        根據(jù)水底高程計(jì)算式(2),測深精度包括測深儀測深精度MS、接收機(jī)天線至換能器零點(diǎn)的測量精度ML,以及RTK獲取高程的測量精度MRTK3個(gè)方面,見式(3)。

        工程測量規(guī)范[10]中對(duì)測深點(diǎn)的深度中誤差的要求如表1所示。

        表1 測深點(diǎn)深度中誤差Tab.1 Sounding Point Depth Mean Square Error

        基于RTK的技術(shù)特點(diǎn),其成果精度存在距離效應(yīng),因此在實(shí)際操作中要控制好作業(yè)范圍,必要時(shí)可多次架設(shè)基站??紤]較差情況,取接收機(jī)中心高程精度為MRTK=±8 cm(實(shí)際測量中可達(dá)±5 cm以內(nèi));使用精度±1 mm的鋼尺量取連接桿的長度,取3次均值為結(jié)果,則ML=±0.6 mm;根據(jù)經(jīng)驗(yàn),中海達(dá)單波速測深儀在水深45 m左右水域進(jìn)行測量時(shí),實(shí)測偏差可達(dá)到4 cm,而且深度越大測量精度越低,取最不利情況下的測量精度MS=±10 cm??捎?jì)算出水底點(diǎn)高程精度MH水底=±12.8 cm,能夠滿足表1的要求。

        2.2 測船姿態(tài)的影響

        在實(shí)踐中,測船姿態(tài)對(duì)高程的精度有較大的影響。如圖3所示,在船體發(fā)生晃動(dòng)時(shí),雖然RTK能夠獲得較好的水平位置精度,但此時(shí)RTK反饋在成果中的平面位置O對(duì)應(yīng)的水底D點(diǎn),與測深儀實(shí)際探測的水下高程點(diǎn)D’點(diǎn)并不一致,造成高程誤差Δ=OD-OD′。

        圖3 測船傾斜造成高程測量誤差示意圖Fig.3 Elevation Errors Cause by Inclination

        事實(shí)上,換能器桿安裝偏差與測船傾斜造成影響是一致的,文獻(xiàn)[11]指出,該類誤差屬于偶然誤差,在單波速測量時(shí),測船傾斜的影響與換能器桿的安裝偏差可一并考慮。

        值得注意的是,當(dāng)DD′位于陡坡,或船體傾角較大時(shí),通過圖3,可以直觀地看出,產(chǎn)生的高程誤差將是非??捎^的,必須加以考慮。針對(duì)此,需要避開可能造成測船姿態(tài)差的惡劣測量環(huán)境,在測船上加裝姿態(tài)測定儀將高差改正為Δh=OD′cosα,再根據(jù)水平方向的兩個(gè)姿態(tài)角β,γ將定位點(diǎn)由O改正至O′。

        2.3 測區(qū)高程異常的影響

        水域測量圖的圖載水深普遍采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋樯疃然鶞?zhǔn)面[12]。當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵娉H≡诋?dāng)?shù)囟嗄昶骄C嫦乱欢ㄉ疃萳位置,RTK高程基準(zhǔn)的參考橢球面,與前述平均海面之間存在一個(gè)差值,即高程異常Δ,通過l值和Δ值,能夠?qū)TK高程改正至深度基準(zhǔn)面中來。一般認(rèn)為在同一區(qū)域l值為一固定值。高程異常Δ需要在實(shí)地聯(lián)測水準(zhǔn)點(diǎn)加以檢驗(yàn),當(dāng)測區(qū)較小時(shí),可認(rèn)為Δ為一固定數(shù)值;當(dāng)測區(qū)較大時(shí),考慮高程異常分布不均勻的情況,需要進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化,求取測區(qū)Δ模型。當(dāng)水下測圖需求為獨(dú)立高程系統(tǒng)時(shí),可不考慮此項(xiàng)。

        3 精度檢驗(yàn)

        基于海南省某海岸水域水下地形測量實(shí)例,對(duì)無驗(yàn)潮水深測量的高程精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。測區(qū)順海岸方向2.5 km,至海岸線起往海方向0.45 km,使用中海達(dá)HD-370單波束測深儀結(jié)合GNSS RTK技術(shù)進(jìn)行測量,在無驗(yàn)潮水深測量的同時(shí),也進(jìn)行驗(yàn)潮工作,最后得到兩套成果,即無驗(yàn)潮水下地形成果和驗(yàn)潮水下地形成果。

        3.1 無驗(yàn)潮水深測量精度

        在測深作業(yè)的各個(gè)深度級(jí)水域?qū)x器推算的水深與水坨測值比對(duì),實(shí)測水底高程精度能夠滿足表1的要求。比較檢查線與測深線交叉處水底高程值,檢查線基本垂直于主測深線,總長度大于主測線長度的5%,檢查線與主測線相交處圖上1 mm范圍內(nèi)水深點(diǎn),高程差值基本在0.1 m以內(nèi),最大差值為0.15 m,如表2所示。

        表2 檢查線統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Test Line Statistical Table

        3.2 無驗(yàn)潮成果與驗(yàn)潮成果比較

        假定驗(yàn)潮測量成果為“真值”,對(duì)兩套成果中的4 111個(gè)同名測深點(diǎn)高程進(jìn)行比對(duì)分析,如表3所示。

        表3 無驗(yàn)潮與驗(yàn)潮水底高程(絕對(duì)值)差值分布表/mTab.3 Elevation Difference(Absolute Value)Distribution Table Between Non-Tidal and Tidal Observation Survey Method/m

        通過表3可以看出,絕對(duì)值差值在(-1.6,-0.7)區(qū)間出現(xiàn)次數(shù)極少,僅4次,不足樣本總數(shù)的0.1%,認(rèn)定其為粗差予以剔除。出現(xiàn)次數(shù)較多的區(qū)間差值絕對(duì)值絕大部分集中在0附近,即兩套成果值相當(dāng)。分析各分段差值出現(xiàn)的次數(shù),可以看出,這些差值服從高斯正態(tài)分布,經(jīng)過計(jì)算,其服從一個(gè)數(shù)學(xué) 期 望μ=0,方 差σ2=0.013的 正 態(tài) 分 布N(0,0.013),即差值的分布具有集中性、對(duì)稱性、均勻變動(dòng)性。如圖4所示。

        圖4 無驗(yàn)潮與驗(yàn)潮水底高程(絕對(duì)值)差值概率曲線圖Fig.4 Elevation Difference(Absolute Value)Probability Curve Between Non-Tidal and Tidal Observation Survey Method

        根據(jù)表3和圖4分析,可以從以下兩個(gè)方面說明無驗(yàn)潮與驗(yàn)潮水底高程值之間的關(guān)系。

        1)根據(jù)正態(tài)分布的特點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)差σ越小,分布越集中在μ附近,σ=1為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,本案例中σ=0.12,表示兩套高程值絕對(duì)值差值較集中于0,即兩套值的4 000余樣本整體較為接近。

        2)將圖4中曲線及坐標(biāo)軸截圖插入AutoCAD軟件,求取封閉面積的值。假設(shè)概率分布曲線與橫軸所圍面積為S,μ±σ所圍面積為S×67.9%,μ±2σ所圍面積為S×93.6%,μ±3σ所圍面積為S×99.2%,與正態(tài)曲線對(duì)應(yīng)的68.3%、95.5%和99.7%基本一致,支持了兩套樣本基本一致的判斷。

        4 結(jié)束語

        鑒于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星空組網(wǎng)的特點(diǎn),在某些特定區(qū)域,RTK獲取的三維坐標(biāo)精度仍不夠高,尤其是高程精度[5,11]。同時(shí),在對(duì)海域進(jìn)行水下地形測量時(shí),由于大海是開放式的,缺少等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn),利用陸上的高程控制點(diǎn)進(jìn)行高程異常擬合只能采用外推的方法,離岸距離越遠(yuǎn),精度越低。此時(shí)還是需要進(jìn)行驗(yàn)潮式的水深測量,或通過驗(yàn)潮來提高高程異常擬合的精度[13,14]。

        當(dāng)測量條件適宜時(shí),無驗(yàn)潮水深測量的測深精度能夠滿足測深精度要求,而且成果與驗(yàn)潮式的成果相當(dāng),效率高、用工省,經(jīng)濟(jì)效益好,值得在進(jìn)行水下地形測量中探索使用。

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