CN104613906A - 基于声线跟踪的库区深水水深测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，所述基于声线跟踪的库区深水水深测量方法包括采用测船姿态改正方法及水温跃层改正方法中的至少一种对测量深度进行改正。所述测船姿态改正方法为：当测船的横、纵摇大于测深仪的波束角时，水深改正量为所述水温跃层改正方法为：将深度为D的水体分为n层，D_n＝D/2，深度改正值为：上述方法通过测船姿态改正，消除了精密水深测量系统中因测船姿态变化引起的误差；通过声速剖面仪测量声速或水温梯度、以深度加权模型改正声速，消除水温跃层带来的水深误差；从而，保证了水库测深成果质量和精度。

Description

基于声线跟踪的库区深水水深测量方法

【技术领域】

本发明涉及水库深水水深测量技术领域，尤其涉及一种基于声线跟踪的库区深水水深测量方法。

【背景技术】

水深测量主要采用单波束测深系统、多波束测深系统，主体部件均是测深仪，是一种主动声纳测量仪器。测深仪的测深原理是利用声波在水体中传播遇反射物体返回时间来测量声波传输距离——水深。水深测量误差主要来源于测深仪、测量环境、测量载体和定位系统。国内外对水深测量影响因素研究和水深测量实践表明：水体水温、水体密度、床面组成及倾角等是影响水深测量的主要环境因子。内陆江河湖泊水深测量时，水深较小时，这些因子对水深的影响也是很小的，但对于深水水域，其对测深精度的影响就上升到不可忽视的程度。

水库蓄水后，水深明显增加，深水条件下测船姿态和水温跃层导致的水深误差以及适用的声速公式是测量人员面临且必须解决的难题，有必要研究一种实用的库区深水水深测量改正技术，应用于水库水深测量。

【发明内容】

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，消除内陆水库深水水域条件下，测船受测区水流、风浪等外界因素引起的测船姿态变化所导致的位置误差、随水深增大而增大的水深测量误差，以及每年特定时期水库水体的水温分层对测深精度的影响，以确保水库测深成果质量。

一种基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，所述基于声线跟踪的库区深水水深测量方法包括采用测船姿态改正方法及水温跃层改正方法中的中至少一种对测量深度进行改正。所述测船姿态改正方法为：当测船的横、纵摇大于测深仪的波束角时，水深改正量为式中，R为实测深度，为入射波束与垂直方向夹角，Heave为测量载体的垂荡。所述水温跃层改正方法为：将深度为D的水体分为n层， $C_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{C}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}},T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{T}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i,S_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{S}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i,$ D_n＝D/2，深度改正值为：其中，c_i、d_i、T_i、t_i、s_i分别为对应每层的声速、厚度、温度、传播时间、盐度，C₀、c_n分别为测深仪发射的设计声速、利用声速。

在上述技术方案的基础上，当测量条件允许的情况下，测量系统中加入姿态传感器和声速剖面仪，采用所述测船姿态改正方法与所述水温跃层改正方法相结合来改正测量水深。

在上述技术方案的基础上，所述基于声线跟踪的库区深水水深测量方法进一步包括优选声速公式改正方法，所述声速公式改正方法使用C＝1449.2+4.6T-0.055T²+0.00029T³+(1.34-0.01T)(S-35)+0.016D来计算声速，式中，T表示温度，单位℃；S表示盐度，单位‰；D表示深度，单位m。

在上述技术方案的基础上，当测量条件允许的情况下，测量系统中加入姿态传感器，采用所述测船姿态改正方法与所述优选声速公式方法相结合来改正测量水深。

在上述技术方案的基础上，在所述测船姿态改正方法中，若测量过程中测船的动态吃水深度大于测深仪测量水深的深度误差，则进行动态吃水深度改正。

在上述技术方案的基础上，在测量过程中，根据不同的测量精度要求采用窄波束或甚窄波束和限制船速的方法降低船移效应产生的影响。

在上述技术方案的基础上，所述测船采用大于5m的测船进行测量。

在上述技术方案的基础上，所述测深仪安装在所述测船船体的近中部船舷部分或距船首约1/2～1/3船长处。

本发明提供了一种能够基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，通过测船姿态改正，消除了精密水深测量系统中因测船姿态变化引起的误差；通过声速剖面仪测量声速或水温梯度、以深度加权模型改正声速，消除水温跃层带来的水深误差；从而，保证了水库测深成果质量和精度。

【附图说明】

图1为本发明的较佳实施例的基于声线跟踪的库区深水水深测量方法的中船体横摇对深度的影响示意图。

图2为本发明的较佳实施例的基于声线跟踪的库区深水水深测量方法的中船体纵摇对深度的影响示意图。

【具体实施方式】

为更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对发明进行详细的说明。

本发明的基于声线跟踪的库区深水水深测量方法从以下几个方面进行改正，以消除误差进而取得真实的深水水深数据：

(1)通过测船姿态改正、动态吃水改正和船移效应产生的误差改正，消除了精密水深测量系统中因测船姿态变化引起的误差；

(2)通过声速剖面仪测量声速或水温梯度、以深度加权模型改正声速，消除水温跃层带来的水深误差；

(3)通过综合考虑各公式的适用范围、公式计算的简便程度，选取适用性最佳的声速公式。

以下将分别从姿态改正、水温跃层改正及优选声速公式这三个方面进行详细地说明。

(1)姿态改正方法：

测船的姿态与船速的大小不仅会产生水深点的平面位移，还产生深度误差，且船速的改变还会带来动态吃水变化。因此，采用单波束测深系统测量，水深测量误差可通过以下方法消除或减弱：

1)当测船的横、纵摇小于测深仪的波束角时，可不进行横、纵摇改正；反之则须改正。航向角使波束沿铅直方向旋转，将直接影响水深点的平面位置，可用坐标旋转公式改正。

图1示出了船体横摇对深度的影响。设船体在t时刻发生横摇角α，实测深度为R，测深仪的波束角为θ，则因横摇产生深度方向的附加误差为：

当|α|＜θ时，α引起测深信号的偏移仍在波束角的范围之内，深度毋需改正；

当|α|＞θ时，则引起附加测深误差Δd，其表达式如下：Δd＝R*(cos(α-θ)-1)。

图2示出了船体纵摇对深度的影响示意图，船体纵摇对深度的影响与船体横摇对深度的影响相似，设β为船体纵摇角度，则船体纵摇引起的深度方向的改正为：

当|β|＜θ时，β引起测深信号的偏移仍在波束角的范围之内，深度毋需改正；

当|β|＞θ时，则引起附加测深误差Δd，其表达式如下：Δd＝R*(cos(β-θ)-1)。

升沉变化对水深产生直接影响，对于平面位置不产生影响，水深改正量为式中，为入射波束与垂直方向夹角，Heave是指测量载体的垂荡(即测量载体的上下起伏)。

由于船姿的作用，实际测量点沿船体坐标系的某个轴发生一定程度的旋转(横摇角α、纵摇角β、航偏角γ)，这些变化改变了船体坐标系VFS和当地坐标系LLS的相互关系，也改变了波束脚印坐标在VFS下的计算参数，其综合影响为：

式中，D为深度，(为入射波束与垂直方向夹角)；

dα、dβ、dγ分别为横摇角、纵摇角、航向测量误差。

2)测船的动态吃水直接影响测深精度，应尽量采用中、低船速测量。若测量过程中测船平稳，测船的动态吃水远小于测深仪测量水深的深度误差，则可不进行动态吃水改正；反之，动态吃水造成的误差不可忽略，必须加入改正。若以GPS RTK技术测量换能器发射面的高程(间接)，则动态吃水已实时进行了改正。

3)船移效应是声波测深必然产生的系统误差，应根据不同的测量精度要求采用窄波束或甚窄波束和限制船速的方法降低其影响。

4)船型及大小对测深环境的反应是不同的。测船的吨位、行深、型宽均较大的测船抵御风浪能力较强，其稳定性相对较好，不建议使用小型船舶(5m以内)测量。测深仪宜安装在船体的近中部船舷(或距船首约1/2～1/3船长)。使用小型或狭长型船舶测量更应避免高航速测量方式。

在未考虑水温跃层影响时，姿态改正方法的效果见下表所示：

表一 不同水深下各改正角度所对应的平面位置改正量

(2)水温跃层改正方法：

对于天然河流，上下层水体交换充分，水温在垂向上变化较为均匀，温差一般小于2℃，以算术平均法、分层深度加权平均计算的垂线平均水温差异很小，近似一致。而且，垂线平均水温与水体表层水温的差异小于0.5℃，通常量取水面以下0.5m处的水体水温，近似代替垂线平均水温。

但是，对于水库、湖泊水体而言，由于水体流动性小，上下层水体交换不充分，水体的水温不同程度存在分层现象，特殊情况下水体表层水温还存在跃层。以三峡水库为例，水库近坝区出现水温分层的温跃层集中表现在90～140m水深，出现水温分层现象时段集中在4～6月间水体升温期内；库区水体垂向水温差与河道水深成正比。此外，声速与水温关系密切。当断面垂向水温差超过2℃或出现温跃层时，水体水温垂向梯度相应变大。

因此，不能简单采用水体表层声速代替垂线声速，否则，测量的水深数据将严重失真，不能真实反映河道演变情况。因此，必须使用声速剖面仪测量声速或水温梯度。

一个大气压下，4℃的水体中声速C₀＝1500m/s，测深仪的测深原理为利用声波在水体中传播的速度和时间计算水深，即：

$h=\frac{1}{2}C\×t---\left(a\right)$

式中，h为测量的水深，单位：m；

t为声波在水体层中传播的时间，单位：s。

在标准条件下，测深仪发射的设计声速、利用声速分别为C₀、c_n，则：

$h_n=\frac{1}{2}{C}_n{t}_n$

$h_0=\frac{1}{2}{C}_0{t}_0$

采用利用声速测量的误差为：

$\mathrm{\δ}=\frac{h_0-h_n}{h_0}=1-\frac{h_n}{h_0}=1-\frac{C_n{t}_n}{C_0{t}_0}\≈1-\frac{C_n}{C_0}$

相应深度改正值为：

$\mathrm{\Δh}=(\frac{C_n}{C_0}-1)h_0\≈(\frac{C_n}{C_0}-1)h_0---\left(b\right)$

将深度为D的水体分为n层，对应每层的声速、厚度、温度、传播时间、盐度为分别为c_i、d_i、T_i、t_i、s_i，则以算术平均计算，则：

$\begin{array}{c}{C}_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i/n\\ T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i/n\\ s_n=\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i/n\\ D_n=\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i/n\end{array}---\left(c\right)$

以深度加权平均计算，则：

$\begin{array}{c}{C}_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{C}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i\\ T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{T}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i\\ S_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i{S}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i\\ D_n=D/2\end{array}---\left(d\right)$

水深测量中，现场或测量后进行深度改正，现行的国家或行业测量规范均是允许的。对长江河道测绘而言，以现场深度改正为主，即现场测量水体水温或声速，计算利用声速(垂线平均声速)，调节测深仪所发射的声速测量。利用声速的科学性、准确性、合理性，对水深测量精度影响尤为重要。

2014年7月27日，水布垭库首段水流流速小于0.1m/s，水面上气温38℃，风速小于1m/s，实测库首水体上下温差达19.63℃。水深为140.56m的情况下，测深仪测深为144.20m；进水温跃层改正后水深为140.47m。

(3)深水水域优选声速公式：

目前测绘界所采用的声速公式各具特点，适用范围不同。优选声速公式的确定是采用9种经验公式的计算值与实际测量值(声速剖面仪测量的水温跃层数据)进行比较分析综合确定的。9种经验公式分别为：《水道观测规范》(SL257-2000)声速公式、《海道测量规范》(GB12327-1998)声速公式、Wilson公式、Medwin公式(Wilson简化公式1)、Wilson简化公式2、Leroy(1969)公式、Dell Grosso公式、Mackenzie公式、Chen-Millero-Li[1998]声速方程。

考虑方便、简捷、适合水库和具有较高的计算精度，优选使用Medwin声速公式。

Medwin声速公式用在0<T<35℃、0<S<45‰、0≤d≤10000米范围的实际参数组合，建立了一个简单方程式：

C＝1449.2+4.6T-0.055T²+0.00029T³+(1.34-0.01T)(S-35)+0.016D

式中：T表示温度，单位℃；

S表示盐度，单位‰；

D表示深度，单位m。

根据2014年7月27日水布垭库首段实测声速剖面实测数据，从以下4个方面分析得出结论：同层水温变幅较大的情况下，接近程度；沿深度，样本系列偏差的算术平均值；样本系列偏差的离散度；样本系列标准差。

使用Medwin公式，分别以垂线算术平均的水温、垂线深度加权的水温所计算的应用水深与实际水深的较差相比较，后者的标准差、离散度均优于前者。

需要指出的是，在实际的应用中需要考虑实际应用环境及条件后再判断采用哪种水深测量方法。具体从以下几个方面进行考虑：姿态改正方法任何情况下适用，但需要投入姿态传感器(设备较贵重)；水温跃层改正(或者称为声速剖面改正)任何情况下适用，但出现水温跃层的情况下测量误差较大，应用水温跃层改正后误差大幅减小，此种改正方法投入较大，需要额外的仪器(声速剖面仪)和测船(自带可以进行声速采样的绞车等)；最佳声速公式是在未测量声速剖面的情况下，采用的一种较为简单的确定声速的方法，对声速的确定其效果要差于水温跃层改正，但其投入小。若有可提供水温跃层改正的数据则不可采用最佳声速公式测量。

综合以上，可知：

当测量条件(投入设备)较差的情况下，无姿态传感器、声速剖面仪，采用优选声速公式来改正水深测量值。

当测量条件允许的情况下，可加入姿态传感器或者声速剖面仪或者两者都加入，采用的改正方式有以下几种：

①姿态改正+优选声速公式(系统中需添加姿态传感器)；

②姿态改正+水温跃层改正(系统中需添加姿态传感器和声速剖面仪)；

③水温跃层改正(系统中需添加声速剖面仪)。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，其特征在于，所述基于声线跟踪的库区深水水深测量方法包括采用测船姿态改正方法及水温跃层改正方法中的至少一种对测量深度进行改正；

所述测船姿态改正方法为：当测船的横、纵摇大于测深仪的波束角时，水深改正量为式中，R为实测深度，为入射波束与垂直方向夹角，Heave为测量载体的垂荡；

所述水温跃层改正方法为：将深度为D的水体分为n层， $T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_i{T}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_i,S_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_i{S}_i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_i,$ D_n＝D/2，深度改正值为：

$\mathrm{\&Delta;h}=(\frac{C_n}{C_0}-1)h_0\&ap;(\frac{C_n}{C_0}-1)h_n,$

其中，c_i、d_i、T_i、t_i、s_i分别为对应每层的声速、厚度、温度、传播时间、盐度，C₀、c_n分别为测深仪发射的设计声速、利用声速。

2.根据权利要求1所述的基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，其特征在于：当测量条件允许的情况下，测量系统中加入姿态传感器和声速剖面仪，采用所述测船姿态改正方法与所述水温跃层改正方法相结合来改正测量水深。

3.根据权利要求1所述的基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，其特征在于：所述基于声线跟踪的库区深水水深测量方法进一步包括优选声速公式改正方法，所述声速公式改正方法使用C＝1449.2+4.6T-0.055T²+0.00029T³+(1.34-0.01T)(S-35)+0.016D来计算声速，式中，T表示温度，单位℃；S表示盐度，单位‰；D表示深度，单位m。

4.根据权利要求3所述的基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，其特征在于：当测量条件允许的情况下，测量系统中加入姿态传感器，采用所述测船姿态改正方法与所述优选声速公式方法相结合来改正测量水深。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，其特征在于：在所述测船姿态改正方法中，若测量过程中测船的动态吃水深度大于测深仪测量水深的深度误差，则进行动态吃水深度改正。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，其特征在于：在测量过程中，根据不同的测量精度要求采用窄波束或甚窄波束和限制船速的方法降低船移效应产生的影响。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，其特征在于：所述测船采用大于5m的测船进行测量。

8.根据权利要求6所述的基于声线跟踪的库区深水水深测量方法，其特征在于：所述测深仪安装在所述测船船体的近中部船舷部分或距船首约1/2～1/3船长处。