波浪对水深测量测深精度影响分析

胡译文，陆伟

（天津水运工程勘察设计院，天津300456）

波浪对水深测量测深精度影响分析

胡译文，陆伟

（天津水运工程勘察设计院，天津300456）

水深测量成果误差包括平面定位误差和测深误差。文章建立测深换能器姿态变化与测量水深的相互关系数据模型，重点分析波浪对测深精度的影响，结合日常水运工程项目的相关数值参数，对该影响值进行了量化模拟计算，为实际生产工作中水深测量数据后处理的消浪工作提供依据和参考。

海洋测绘；水深测量；测深精度；波浪；GPS高程

水深测量是以获取水下地形数据为目的的海洋测绘技术，目前主要手段是以船舶为载体，在以DGPS进行定位数据采集同时，以声纳原理进行水深数据的获取［1］。实践表明，测深误差主要体现为测深自身误差与测量环境效应误差［2-4］。测深自身误差如仪器误差、动吃水及声速引起的误差，测量环境效应误差包括波浪效应、船速效应等，其中波浪效应是测深精度的最大环境影响因素［2-3］。

波浪对测深的影响，主要是指在测量过程中，造成测量船舶发生横摇、纵摇以及竖直升沉等姿态改变，使水深测量换能器不能保持竖直状态与竖向位置的相对固定，继而影响测深平面定位与测深的准确度［5］。介于波浪本身的特性，对测量数据中波浪的影响进行消除是件不易的事，为减少波浪效应，规范要求在未使用姿态传感器时，沿海波高超过0.6 m时应停止作业［6］。

1 数学模型演算

1.1 横摇对测深精度影响

测量船舶横摇主要对测深工作造成两类影响，其一是引起换能器的上浮，其二是引起换能器发射波束偏离竖直方向。介于换能器的工作原理，在发射与接收声波信号时，具有一定的波束开角，不同品牌设备波束开角宽度略有不同，通常都在3°～10°。测量时，换能器采集波束内的最短距离作为水深值。因此，当横摇发生时，换能器的波束开角能够进行自动补偿，当横倾角度小于波束开角时，能完全消除波束偏离竖直方向所带来的误差；当横倾角大于波束开角时，不能完全消除波束偏离竖直方面所带来的误差，但可以补偿一个波束开角宽度。

如图1所示，b为船舶摇晃中心（船舶重心）至换能器杆的垂直距离（通常为1/2船宽），l换能器为换能器位于船舶质心以下深度，h水深为真实自然水深值，θ为换能器波束开角，h水深测为测量水深值。在假定换能器下方局部海底平坦的情况下，根据几何关系不难确定，当横倾角小于波束开角时，测深误差体现为换能器上浮引发的误差，其值为

当横倾角大于波束开角时，测深误差体现为两类误差矢量和，其值为

1.2纵摇对测深精度影响

测量船舶纵摇与横摇类似，同样对测深工作造成上述的两类影响。如图2所示，根据几何关系同样可推算出以下测深误差公式（各参数与图1表达一致）。

当纵倾角小于波束开角时，测深误差体现为换能器上浮引发的误差，其值为

当纵倾角大于波束开角时，测深误差体现为两类误差矢量和，其值为

1.3 竖直升沉对测深精度影响

水深测量时，换能器是固定在测量船舶上的，两者的相对关系是固定不变的。船舶随着波浪的起伏而升沉，所测水深数据也随之发生相同变化［7］，与船舶尺寸、水深值等任何参数无关，浪高引发的船舶升沉量是其唯一因素，如图3所示。其计算公式为

图1 横摇对测深影响Fig.1 Rolling impact on sounding

2 数值计算分析

结合水运工程水深测量工作，在此对横摇、纵摇模型中的主要影响因子进行函数过程曲线分析，竖直升沉引发测深误差为简单线性模型，暂不作详细研讨。

以Odom水深测量系统SMBB200⁃9高频换能器为例，其波束开角为9°，假定b=1.5 m，分别针对5 m、10 m、15 m、 20 m、25 m水深条件，绘制横摇、纵摇情况下测深误差关于自变量倾角的函数曲线如图4、图5所示。

图4和图5表明，在倾角小于12°时（略大于波束开角），测深误差与倾角相关，且基本呈线性，量值较小；当倾角大于12°时，无论是倾角还是水深值的加大，都将引起测深误差的急剧加大；在同样自变量情况下，横摇的误差效应明显大于纵摇误差效应。

图2 纵摇对测深影响Fig.2 Pitching impact on sounding

图3 竖起升沉对测深影响Fig.3 Lifting impact on sounding

图4 水深、倾角对测深误差的影响结果（横摇）Fig.4 Impact of water depth and dip angle on sounding（rolling）

图5 水深、倾角对测深误差的影响结果（纵摇）Fig.5 Impact of water depth and dip angle on sounding（pitching）

3 工程实践启示

上述结论说明了在水深测量过程中，波浪对测深误差的影响不容忽视。在使用姿态传感器时，应根据所获取的姿态变化角度对测深数据进行深度修正，在未使用姿态传感器时，对测深数据对波浪效应进行消减（消浪）是非常有必要的。目前消浪采用的主要方法是根据模拟水深线进行经验性判断［8］。

根据上述研究，从图1～图3可以看出，波浪效应所影响的不仅是测深值，同时对GPS高程数据也同样存在影响，并且不难推算GPS高程数据误差公式。

式中：lGPS为GPS天线相位中心至摇晃中心的高度，式（3）表明对于竖直升沉，GPS测高误差与测深误差相同。当lGPS取值2.5 m时，GPS高程误差随横摇、纵摇倾角的变化如图4、图5中粗线条，结果说明在倾角小于12°时，GPS高程误差量值与测深误差量值相差不大。

基于此，在实际工作中，以GPS高程变化曲线作为参考来实施水深数据的消浪工作是可行的。即如图6、图7所示，上边曲线为GPS高程，下边曲线为测水深，将GPS高程经常量平移后与水深值进行比较，图6中很明显可以看出，GPS高程与水深值变化基本同步，由此基本可以判定该段水深值的起伏变化是由波浪引起的，可以参考GPS高程变化来平滑调整水深曲线，达到消浪效果。而图7中，GPS高程值稳定，可排除波浪因素的存在，对应时间段的水深值变化是由于其他因素引起，对变化异常地方不应当成波浪效应而被消减。

另外，根据图4、图5可以看出，无论是横摇还是纵摇，当倾角不足15°～16°时（大于波束开角6°～7°），测深值变化与GPS高程值变化之差均不超过0.2 m。结合GPS高程变化趋势，经验性地削除波峰1/3～1/2的消浪方法，即使不使用姿态传感器也可以保证波浪引起的测深误差在0.1 m以内。当倾角超过该值时，GPS高程的变化也不能完全反映出波浪对测深值的影响量值，此时如未使用姿态传感器时，将无法保证测深数据的准确性。

图6 水深与GPS高程变化对比（有波浪影响）Fig.6 Comparison of the changes of water depth and GPS elevation（with wave effect）

图7 水深与GPS高程变化对比（无波浪影响）Fig.7 Comparison of the changes of water depth and GPS elevation（without wave effect）

4 结论

数据分析表明，波浪对水深测量测深精度影响较大，在测量过程中应尽量选择合适天气、稳重船只，并尽量配备姿态传感器进行姿态补偿与修正，以消减波浪造成的测深误差。在未使用姿态传感器情况下，船舶摇晃倾角较小时，数据后处理阶段以GPS高程数据为参考进行消浪的方法是准确可行的。

［1］赵建虎，张红梅.水下地形测量技术探讨［J］.测绘信息与工程，1999（4）：22-26.

［2］林珲，吴立新，方兆宝，等.水深测量的误差因子分析［J］.海洋测绘，2005（2）：1-5. LIN H，WU L X，FANG Z B，et al.Analysis for error factor in sounding［J］.Hydrographic Surveying and Charting,2005（2）：1-5.

［3］陈铁鑫，张坚樑，张沈阳，等.卡尔曼滤波模型在水深测量中的应用［J］.浙江水利科技，2007（2）：37-38.

［4］褚宏宪，周小明，史慧杰，等.水深测量误差分析与改正［J］.物探与化探，2011（3）：358-363. CHU H X，ZHOU X M，SHI H J，et al.The analysis and correction of errors in bathymetric survey［J］.Geophysical＆Geochemical exploration，2011（3）：358-363.

［5］黄建明.浅析高精度的水下地形测量解决方案［J］.江西测绘，2005（3）：48-51.

［6］JTS131-2012，水运工程测量规范［S］.

［7］丁继胜，刘忠臣，周兴华，等.利用姿态传感器提高单波束测深精度［J］.海洋测绘，2002（9）：58-62.

［8］严天赦，张国全.船舶吃水对水深测量的影响浅析［J］.港工技术，2009（S1）：70-71，74. YAN T S，ZHANG G Q.Analysis on Influence of Ship Draught on Water Depth Measuring［J］.Port Engineering Technology，2009（S1）：70-71，74.

天津港全面推广岸电系统打造绿色港口

本刊从天津港集团获悉，天津港集团作为全国绿色低碳四大港口试点之一，港口岸电技术已成为节能减排降噪的有效措施。据统计，2013年至今，天津港集团投资2.56亿元完成了132台集装箱场桥油改电项目，每年可减少排放3.37万t二氧化碳、0.1万t二氧化硫、0.05万t氮氧化物。在此期间，完成了36座低压岸电装置建设，实现了所有港作船舶停靠期间岸基供电。同时，从2014年初，天津港太平洋国际集装箱码头公司还先后建造了两座6.6 kVA 60 Hz高压岸电装置，全年可为162艘来港集装箱船舶提供岸电供应，可实现替代燃油1 290 t，减排二氧化碳4 079 t。目前供电装置已进入调试阶段，预计2015年年内可正式投入使用。（殷缶，梅深）

江西航道首套自动水位监测采集系统投用

本刊从江西省港航管理局获悉，日前，江西航道首套自动水位监测采集系统通过测试并完成验收，已正式投入使用。据了解，该系统是采用GSM无线通讯方式实时遥测水位变化的一种智能监测系统。系统运行时，设在龙王庙大桥、八一大桥、昌邑山大桥3处观测点的分站可以连续或定时自动记录(水位、温度)传感器发送的水位等数据变化情况，通过GSM无线通讯模块将所测数据传送至监控中心主站，利用主站内的“多参数水文处理软件”进行数据处理，生成各种报表，绘制水位(水压)温度变化图等。该系统主要特点是功耗小、测量范围大、操作简单、无人值守。传感器能在河道水流不稳定的情况下正常工作，仪器适应在多变环境下全天候自动工作，能够满足对赣江主要河段水位监测要求。（殷缶，梅深）

Impact of wave on accuracy analysis of sounding

HU Yi⁃wen,LU Wei
（Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China）

The error of sounding consists both positioning error and bathymetric error.A numerical model of the relationship between the sounding transducer variation and the measurements of water depth was established in this paper.The impact of wave on the accuracy analysis of sounding was emphatically analyzed.Combining with the relevant numerical parameters in ordinary water transport project,the quantitative simulation of the impact value was carried out.The result provides the basis for the wave dissipation of the data processing for sounding.

hydrographic surveying and charting;sounding;depth accuracy;wave;GPS height

P 715；TV 143

A

1005-8443（2015）02-0172-04

2014-04-25；

2014-06-17

胡译文（1986-），女，湖南省衡阳人，助理工程师，主要从事大地测量、工程测量及海洋测绘工作。

Biography：HU Yi⁃wen（1986-），female，assistant engineer.