误差理论在水下地形测量的误差控制和在外业成果评定中的应用

林海聪

摘 要：本文从水下地形测量的内外业，仪器设备的系统误差控制、测量成果进行评定的方法进行了探讨，着重研究误差理论在对测量成果的准确度评定方面的实践应用。

关键词：误差 稳定性 测量 成果评定

水下地形测量利用定位仪器和回声测深仪等仪器设备野外采集数据，如果所使用的设备在数据采集的过程中产生的大量设备不稳定原因带来的系统误差、各种吵杂的随机误差，将会大大降低测量成果的可靠度与准确度。为保证测量成果可靠准确，首先要对仪器的测量误差、仪器的稳定性进行控制，在测量准备过程中对仪器的相应指标进行现场检定，确保各项性能指标要符合要求，从源头上控制测量质量，在测量误差传递的各个环节进行控制，降低累计误差。水下地形测量完成后，可以采用误差理论对测量成果进行评定，控制和提高成果的准确度。

1.水下地形测量仪器误差的控制和稳定性检定

实际实践过程中，需要仪器设备在检验周期中能保持性能指标，可定期将设备送到质量检验部门进行鉴定、调整，日常测量中要做好仪器设备的校对和验证，日常要保养好设备。

定期的将设备送到权威的检验部门进行全面的检验，根据检验统计出来的结果可以发现仪器设备的稳定性和测量精度方面的变化，及时进行校正，最大限度的减少因为设备性能下降带来的系统误差。对于校正后仍未能达到测量精度要求的不予投入使用。

限于成本和时间的限制，不能经常性地将仪器送到权威部门检验。可在鉴定周期中对仪器设备进行简单的检验和校对，以期保持良好的技术性能。下面就分别对测深仪、GPS接收机这两种水下地形测量常用设备的日常检验和校对进行阐述。

（1）GPS接收机的测量精度和稳定性的检测。将GPS接收机架设到控制点上，在差分信号稳定的情况下进行记录30分钟以上。然后对数据进行统计，计算出X方向和Y方向的中误差以及平面定位的中误差。

误差圆（95%）半径Offset=测量点到真实值的平均值+两倍测量点到测量最或然点的中误差，该值是系统误差和随机误差的和，表征了测量偏离真实值（准确度）的大小。在Offset（95%）不超过测量技术要求的情况下，评定测量精度主要取决于两倍定位观测中误差Drms值。

在多次定期进行校验，Drms和 Offset均符合测量技术要求，就可以认为在这些时段GPS接收机工作稳定。笔者在汕尾电厂工程中水下地形测量比例尺为1：2000，依据规范“测深点定位点中误差限值测图比例尺大于1：5000为图上1.5mm”的要求，点位误差限制为3.0m，表1为笔者所在工程历次比对的成果统计：

上表历次中误差Drms和误差圆半径Offset均小于限制，可以判定仪器测量精度和准确度、稳定性满足测量所需的技术状态要求。

（2）测深仪的测量精度和稳定性的检测。将测深仪的换能器固定在一个位置，比如码头边，水下最好是硬底质的反射层。连续记录10分钟左右，将数据进行统计。根据统计出来的深度中误差进行评定。

测量实施过程中仪器测量误差的控制。

（1）测深仪的声速改正。在每次月进度或检测测量前均进行一次声速校正。降低深水改正不准确引起的系统误差，确保测量成果的准确度。值得注意的是在进行测试板声速校正时必须是“深度调声速而不是声速调深度”，即检测板的深度不变仅改变声速。

（2）DGPS定位时必须时处于“差分状态”时才进行记录，确保测量定位精度满足要求。

（3）GPS和测深仪的延迟校正。系统性延迟探测的方法有两种，一是同一目标探测法，二是同一测线探测法。

（4）外业中进行潮位观测时，采用短时多次观测记录的方法进行读数，然后将平均值记录入簿，可以很好的控制读数的误差。另外尽可能在风浪影响小的区域设立验潮站。

2.对外业测量成果的评定

2.1对测深纸的质量评定

测深纸上面的记录是测量时对水深数据的最原始记录，是内业处理中修改假水深的重要依据，也是评定测量质量，判断水下反射物的重要依据。不同的质量具有明显的区别，如下图1则是质量对比图（左为质量好的；右为质量比较差的）：

其记录的反射模拟线边界模糊，上层空间有明显的干扰回波。这样的记录说明有可能测深仪参数没有设置好，以致测量的结果出现较多的假水深，而反射面的回波测量结果跳动比较厉害，往往有0.3m左右的跳动，相对于上图其测深值离散较大。

2.2测量数据的统计分析

从测量结果中提取比较典型的一条测线的测深值、高程值、坐标值（采集频率不低于1HZ）。分别计算后一个点相对前一个点的变化值，最后对这些变化值进行统计。在剔除了粗差后，计算得到的中误差可以很好的反映测量结果的离散程度，离散越小说明越稳定。表2是笔者某次测量统计的结果。

采集时船速约为2.5m/s，坐标位移变化值的平均值为0.529m和实际情况很吻合。位移变化值中误差0.055m，测深变化差中误差为0.061m以及高程变化值中误差为0.021m说明测量结果中两点之间的变化稳定、连续、数据采集过程可靠。

2.3依据内业处理后的测量数据对测量成果质量评定

（1）测深线数据同检查线数据进行对比。根据水运工程测量规范（JTJ 203-2001）中“7.4.7测深检查线与主测线相交处，图上1mm范围内水深点的深度比对应符合水深小于等于20m时深度比对互差小于或等于0.4m，水深大于20m时深度比对互差小于或等于0.02H。”（H为深度值）对比对成果进行评定。

（2）前后两次同一自然水深区域测量数据的比较，同样比较其互差值。

下面的数据比对统计成果是是笔者在对某航道未施工区域两次测量成果比较的结果：

内航道未施工区域：

深度比对互差的最或然值为0.008m，接近于0，说明比对结果在0处周围分布均匀，中误差为0.122m，说明大多数的互差变化范围在-0.24至0.24m的范围内，合格百分比为98.83%，说明测量成果质量稳定，可靠准确。

3.结论

简单易理解的中误差理论在水下地形测量质量控制和成果评定方面的应用有积极的意义。以上笔者所述的也仅仅是提高测量精度和控制误差的小小的一个方面，还有很多有待提高，发展的方法和技术手段。

参考文献：

[1]水运工程测量规范[S].北京：人民交通出版社.2001.天津航道局.JTJ203-2001.

[2]武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础[M].武汉：武汉大学出版社.2003.

[3]上海航道局.HYPACK MAX测量和疏浚软件应用手册[M].上海：上海航道局.2003.

[4]彭美云.概率论与数理统计[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社.2001.

[5]广州航道局.GPS信标机定位系统校准作业指导书[M].广州：广州航道局.2004.endprint