1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)无验潮测深深度基准面的确定方法The Way to Confirm Depth Datum of No Tide Sounding学 院 ：专 业 班 级 ：学 生 姓 名 ：学 号：指 导 教 师 ： 2013 年 6 月淮海工学院本科生毕业设计（论文）诚信承诺书1.本人郑重地承诺所呈交的毕业设计（论文） ，是在指导教师的指导下严格按照学校和学院有关规定完成的。2.本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和参考资料均加以注释和说明。3.本人承诺在毕业设计（论文）选题和研究过程中没有抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。4.在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识
2、产权的行为，由本人承担相应的法律责任。毕业设计（论文）作者签名：年 月 日毕业设计（论文）中文摘要无验潮测深深度基准面的确定方法摘 要：海洋测量中深度基准面是图载水深的起算面，深度基准面的确定是海洋测深的基础工作。目前，随着 GPS 与海洋测深技术的不断发展，GPS 与数字测深仪相结合的无验潮测深技术已广泛应用于海洋测量中。本文论述 GPS 无验潮测深技术的基本原理及常用方法；考虑到无验潮测深区域与长期验潮站的高程异常差距，分两种情况论述了无验潮测深深度基准面的确定方法：当测深在长期站附近时，直接求取该验潮站的深度基准面大地高并采用；当测深离长期站较远时，测深区域附近布设短期验潮站，两站利用
3、CORS 进行同步水位观测，确定短期站深度基准面值，测深区域则采用该深度基准面。给出了无验潮测深情况下，从 GPS 实测的大地高转换到以深度基准面为基准的图载水深的计算方法。关键词：无验潮测深；深度基准面；深度基准面传递；图载水深计算毕业设计（论文）外文摘要The way to confirm depth datum of no tide soundingAbstract: The depth of the water is calculated form the depth datum in marine surveying, determining the depth datum is t
4、he basic work in marine sounding. With the development of GPS, it can measure a high precision 3d coordinate in real time, the accuracy of the coordinate can achieve centimeter level, which can meet the requirements of marine sounding. With the development of sounding technology, no tide sounding ha
5、s been widely used in marine sounding. In this paper, we will discuss the basic principle of no tide sounding; analysis the commonly used method to calculate depth datum; we first calculate the depth datum in the tide station for a long time and pass it to temporary tide station, so we can have a un
6、ity depth datum, and we should research the relationship between vertical benchmark. Under no tide sounding ,we must design an algorithm with which we can transform ellipsoid height to chart height. Keywords: No tide sounding; Depth datum; Depth datum conversion; Calculation of chart height目 录1 绪论 .
7、11.1 课题研究意义 .11.2 国内外研究现状及发展趋势 .11.3 本课题研究的内容 .22 水深测量原理以及误差分析 .22.1 海洋水深测量 .22.2 误差分析 .33 GPS 无验潮测深技术 .53.1 GPS 在海洋测绘中的应用 .53.2 GPS 无验潮测深原理及常用方法 .74 深度基准面 .104.1 深度基准面简介 .104.2 深度基准面发展 .114.3 深度基准面概况 .124.4 海洋无缝垂直基准的构建 .125 深度基准面的计算 .135.1 海洋潮汐 .135.2 深度基准面的计算 .156 无验潮测深深度基准面的确定以及误差分析 .186.1 测深区域离长
8、期验潮站较近时深度基准面的确定 .186.2 测深区域离长期验潮站较远时深度基准面的确定 .206.3 深度基准面确定的误差分析 .257 GPS 无验潮测深图载水 深的计算 .258 算例分析 .26结 论 .29致 谢 .30参 考 文 献 .31淮海工学院二一三届本科毕业设计（论文） 第 1 页 共 31 页1 绪论1.1 课题研究意义海洋水深测量是绘制海图最基本的工作。近年来随着 GPS 卫星定位技术的不断发展，由 GPS 定位系统跟数字测深仪结合的无验潮测深方法已在海洋测绘工作中取得广泛的应用。无验潮测深不需要设立水尺进行水位观测，节约成本，能够消除由于人工水位观测带来的误差；并且无
9、验潮作业模式不受白天黑夜的影响，每天随时都可以进行测深作业，提高测深作业效率；同时它还能得到一个即时水位，有效消除波浪等因素对船体造成的摇摆引起的测深结果误差。是一种比较好的海洋水深测量方法。我们通常所认知的海底深度都认为是从海面到海底的垂直距离，然而船体所在瞬时海面受到风浪、潮汐等各种因素的影响，海面会处于上下波动状态，那么我们在不同时间，不同地点测的到的水深数据就没有可比性，因此，我们就要构建一个统一的基起算面，最后的测深数据都要换算到这个基准面上，这样才以便于测深数据的处理与分析，这就是我们所说的深度基准面。由于我国沿岸长期验潮站数量的有限性，每个验潮站潮位观测的方法可能不相同，以及计算
10、深度基准面所采用的方法也不尽相同，因此，每个验潮站的深度基准面可能略有差异。并且，无验潮测深区域可能离已有长期验潮站比较远，测深区域的基准面可能与长期验潮站计算出的深度基准面不再同一等位面上，假如直接采用长期验潮站的深度基准面作为无验潮测深的深度基准面，可能对测深数据的处理分析有一定的影响。鉴于此，海洋无验潮水深测量作业时，所采用的深度基准面是至关重要的，确定出一个可靠稳定的深度基准面对无验潮测深数据的处理分析有着不可估量的作用。1.2 国内外研究现状及发展趋势我国通常根据验潮站多年的潮位观测，算出多年平均海水面并且推算出深度基准面的位置。一九五六年以后，我国统一将长期验潮站的出现的理论最低潮
11、面作为我国的海图深度基准面。无验潮测深时我国通常选择在测深区域附近沿岸建立一个短期验潮站，再对其进行水位观测，得出一段时期内潮位观测资料，由于时间条件受限制，短期验潮站的潮位观测资料还不足以用来计算一个稳定可靠的深度基准面。我们需要利用长期验潮站已有的稳定可靠的深度基准面资料，传递推估出所建立的短期验潮站的深度基准面位置，将其作为无验潮测深作业时应该采取的基准面。国外一些国家所采用的深度基准面也不尽相同，比如，日本采取的基准是东京灵岸岛验潮站多年观测水位的平均值；美国采取的基准是波特兰验潮站多年观测水位的平均值；澳大利亚的大多数国家，比如挪威、德国等国家采用的海洋测量深度基准面是最低天文潮面。
12、由于我国各个验潮站进行潮汐观测时所采用的观测手段不一致，导致各个验潮站算出的基准面可能有差异，这就会导致我们每个地方的海洋测深数据不能共享。假设我们淮海工学院二一三届本科毕业设计（论文） 第 2 页 共 31 页能够确定出一个海洋测绘中统一的垂直基准，对我们所测的资料成果共享甚至是海洋跟大陆的一些测量成果的拼接都有很大的意义。至今也有学者提出将海平面作为垂直基准。海道测量实践表明，不管是长期验潮站平均海平面的直接计算还是短期站平均海平面的传递都可达到较高精度。因此我们若把当地的平均海平面作为垂直基准，就可以获得用该基准起算的平均水深。当然，也有学者认为 WGS 参考椭球面也可以作为统一的垂直基
13、准，可以将测的大地高转换为海图高。实际上也就建立了一个局域无缝的垂直基准面。1.3 本课题研究的内容本文前面主要介绍海洋水深测量的基本原理，以及 GPS 与数字测深仪相结合的无验潮测深的基本原理及作业流程。阐述深度基准面的定义以及理论深度基准面的算法。后面论述两大种确定无验潮测深深度基准面的方法，并进行分析比较，给出无验潮测深图载水深的计算方法，并且举例说明确定深度基准面的方法，最后得出结论。2 水深测量原理以及误差分析2.1 海洋水深测量海洋水深测量是海洋测量中的基础工作，是海底地形测量最基本的要素。从过去到现在，海洋测深也经历了很多个发展阶段，从最早的测绳重锤测量到现今的多波束测深系统，甚
14、至以后还会发展成利用遥感技术进行水深测量。2.1.1 常用的测深方法随着人们对海洋测深技术的不断研究发展，海洋测深技术越来越变得高效率、高精度，从以前的测深绳、测深杆等点测深发展到现在的激光测深，遥感测深等面测深。由单波束测深发展成为多波束测深，大大的提高了测深效率。由于单波束测深系统只能测得某一点的深度，不利于提高作业效率，因此，由单波束测深系统发展而来的多波束测深系统更加得到广泛的应用。多波束测深系统能同时测得与航线垂直面内的几百个点的深度，相比单波束而言，具有测深范围更加广、更加稳定、更加自动化、数据处理更快等优点。海面海底单波束测深 多波束测深图 2-1 单波束测深与多波束测深淮海工学
15、院二一三届本科毕业设计（论文） 第 3 页 共 31 页2.1.2 水深测量原理在海洋水深测量中，我们通常采用回声测深仪进行水深测量，回声测深仪是由安装在船底的换能器、发射装置、接收装置、显示屏等部分组成。换能器垂直向下发射声波，传到海底再反射回来接收，从而算出船到水底的深度。船底换能器海底脉冲信号图 2-2 回声测深原理图如图 2-2 所示，换能器安装在测量船底下，竖直地向海底发射一个脉冲信号，到达海底后反射回来，接收机装置接收反射回来的信号。假设脉冲信号从发射到接收总共经历的时间为 T，脉冲信号在水中的传播速度为 C，换能器的吃水深度为 D，则海面到海底的深度 H 可表示为：H= CT+D
16、 (2-1)21由于海洋测量中，描述海底深度都要从深度基准面算起，因此，我们要将实测到的水深减去深度基准面以上的距离 d。那么我们就可以得出对于深度基准面的海图高 Z 的计算公式：Z= CT+D-d (2-2)212.2 误差分析2.2.1 波浪引起的水深测量误差测深船在海上进行作业时，有很大的概率会遇到波浪，在海面上的分布也比较广，波浪很容易使得船体姿态发生一些变化，比如使船体产生上下左右的摇晃，还能使得船体不断的升沉，那么这些很显然都会对我们的测深作业产生一定的影响。我们就得对船体各种姿态的变化进行分析，以便于减弱波浪对海洋测深的影响。照理论，船体下面的发射机换能器应该是垂直的向海地发射脉
17、冲信号，但是由于波浪对船体姿态造成的影响，发射出去的脉冲信号就不会真正的垂直于海底，而是发射到了测深点的左右两边或者前后两处，会发生一定的偏差，这就导致我们测深结果有一定的误差。淮海工学院二一三届本科毕业设计（论文） 第 4 页 共 31 页如图 2-3 所示，当波浪使得船体发生横向的摇摆时，摆动角度为 ，则实际的测深为 PA1，而理论上的深度应该为 PA，因此，波浪对船体造成的横摇会对测深结果有一定影响。X垂直于测深线的海底PA1换能器底部图 2-3 船体横摇产生的测深误差同理，如图 2-4 所示，波浪对船体造成纵摇时，产生偏角度 ，使得理论的水深 PB 与实测水深 PB1 有一定误差。Y平
18、行于测深线的海底船底换能器 PBB1图 2-4 船体纵摇产生的测深误差2.2.2 船速引起的水深测量误差在海洋水深测量中，船速是一个很重要的因素。如果船速过慢，那么我们水深测量的效率就会变低，然而，如果船速过快，那么我们水深测量的结果精度就不够高。因此，测深作业时，要选择合理的开船速度。2.2.3 水位观测引起的误差由瞬时海面实测的水深换算到以深度基准面为基准的海图高需要进行水位淮海工学院二一三届本科毕业设计（论文） 第 5 页 共 31 页观测，也就是我们所说的验潮。常规人工验潮很难捕捉到准确的瞬时的潮高，潮位观测时人为因素等会造成水位改正误差。对最终水深数据造成一定的影响。因此，可以看出常
19、规验潮水深测量精度还是不够稳定的。3 GPS 无验潮测深技术3.1 GPS 在海洋测绘中的应用3.1.1 GPS 应用于海洋测绘一切与海洋有关的活动，比如说海洋工程的建设，海洋环境的研究等都离不开海洋测绘单位提供的各种数据以及图文。所以，我们进行的海洋测绘工作是相当基础而又甚是重要的。海洋测绘经过了近十年的不断发展，海洋测绘采用了各种高新技术，比如GPS，遥感等，使得我国海洋测绘水平有了很大的提高。由于 GPS 有很良好的技术特性，测量精度高，测量速度快，将其应用到海洋测量，能够很大程度上提高海道测绘的效率。全球定位系统简称为 GPS。GPS 导航系统是基于全球 24 颗卫星进行工作的，它能够
20、随时随地的向全国拥有 GPS 接收机的用户提供他们所在的地理位置信息。它由三部分构成，如图 3-1 所示，一是由主控站、监测站、注入站组成的地面支持系统；二是由 24 颗 GPS 卫星组成的空间部分；三是 GPS 用户设备部分。卫星发射信号跟 GPS 接收机接收到这个信号之间有一段时间差，GPS 接收机通过计算这算时间差，求得卫星跟 GPS 接收机之间的距离，利用卫星瞬时的位置确定出地面点的位置，这一特点能广泛应用于海洋测绘，比如用于海洋大地测量，海洋资源开发等等。GPS 是现代全新的定位方法，由于其定位精度较高，尤其是 RTK 定位精度可达厘米级。已经取代了很多传统的测绘仪器。1980 年以后，GPS 定位技术不仅仅在陆地测量中使用的比较多，也逐渐的应用到海洋测绘中，空间 GPS 卫星GPS 用户设备部分监测站主控站注入站地面支持系统
