史红礼 杨合谊 杨建国

【摘要】随着工程行业的飞速发展，工程测量深入到水域的范围越来越广。为了更进一步了解水下的地形测量，我们一般借助于测深仪来实现。然而影响水下地形测量精度的因素很多。为了减少在水下地形测量的过程中误差影响，我们从以下几个方面做一简单探讨。

【关键词】水下地形测量；地面/水下三维坐标；回声测深仪 ；测量精度

【Abstract】With the rapid development of engineering industry， engineering surveying deep into the waters of an increasingly wide range. To further understand the underwater topography， we generally achieved by means of a depth sounder. However， many factors affect the underwater topography measurement accuracy. To reduce the impact of errors in the process of underwater topographic survey， we do a brief discussion of the following aspects.

【Key words】Underwater Topographic Survey；Terrestrial / underwater three-dimensional coordinates；Echo sounder；Measurement accuracy

三维坐标（X，Y，Z）是绘制地形图最基本的数据。水下地形测量是地面三维坐标（X，Y，Z1）和水深测量（Z2）相结合而实现的，即（X，Y，Z1+Z2）。水上平面测量可采用全站仪、GPS等常规方法来实现，但在水中采集水下三维坐标的方法相对比较复杂，通常我们采用测深仪来实现。这里主要以回声测深仪为例做以简单分析。

2. 回声测深仪的工作原理：

回声测深仪的工作原理是利用一组发射换能器在水下发射声波，使声波垂直方向在水域介质中传播，等碰到目标后再被反射回来，反射回来的声波被接收换能器接收，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离。然后再由声纳分析员或计算机处理收到的信号，进而确定目标的参数和类型。

3. 回声测深仪的种类：

回声测深仪类型很多，大体可分为记录式和数字式两类。通常都由振荡器、发射换能器、接收换能器、放大器、显示和记录部分所组成。

4.主要影响回声测深仪测量水深的因素

声波在水域中的传播速度，随水域的温度、盐度和水中压强等而变化。在水下地形测量中对传播速度影响最大最常见的表现在水温、风浪、水中杂质、平面采集数据误差及平面测量与水深测量过程中读取数据是否同步误差的影响。

图1西南视角观察图2东南视角观察5. 影响主要因素分析

5.1介质对回声测深仪测量水深的影响。 声音的传播速度与介质的密度成正比。水的密度比空气高约800倍，所以传播速度比空气快的多，而水密度最高的时候在4℃（水分子的特性，使其结冰后膨胀，分子撑开反而密度小，传播速度慢，），因此这个时候4℃传播最快。当然在4℃以上，温度更大时，密度更小传播速度越慢。例如，在常温下，海水中声速的典型值为1500米/秒，如果测得声脉冲在水中往返的时间为3秒，则海水的深度为2250米，即1500*3/2=2250米。由于声波在海水中的传播速度随海水的温度、盐度和压力的变化而变化，所以在常温时海水中的声速的典型值为1500米/秒，淡水中的声速为1450米/秒。在每次使用测深仪之前必须对测深仪做吃水对比试验。首先量取待测区域的水温，在对测深仪做零位和吃水校正后，对水深量化器做声速调整，使工前和工后测的水深结果一致。

5.2水中杂质的影响及注意事项。

5.2.1在一般深水区域，声波常会碰到水中的悬浮物及水中生物，就会反射回接收器，因此就会接收到错误的数据，为绘制地形图提供错误的信息。为了避免此类情况。对于有经验的测绘工作者常采用减慢测船的行进速度、加密收集测点及对收集的数据绘制等高线，对等高线进行分析、点位筛选、或者复测最终达到理想的水下三维坐标数据。下面我们以某工程的水下测量为例来做以简单说明。第一次我们所测的部分数据如表1：

5.2.2对其利用CASS测量绘图软件绘制三角网及等高线，通过三维的不同视角观察如下：西南视角观察如图1：

5.2.3东南视角观察如图2：

5.2.9由此可见目前的出的等高线才合乎等高线的变化规律。

5.3风浪的影响及注意事项。

（1） 一般情况下，我们尽量避免风浪天气对工作区域进行测量水下地形，因为测船在风浪天摇摆不定，船首附近受到水流的冲击影响较大，也容易在换能器底部产生气泡。这样接收器接受的数据不能正确反映测区的水下三维坐标。

（2）如果工期紧迫或者风浪多发区域，我们首先必须对其区域做出判断。根据实际经验及有关资料，测船因风浪造成的摇动大小，取决于风浪的强弱与测船的抗风性能，而测深记录纸上的数据起伏变化可反映出其对测深的影响。起伏不大，则影响不大，如果记录纸出现有0.4～0.5m的锯齿形变化时，实际水面浪高一般将超出其值1～2倍。对20m以下的水深测量，取不同深度测点深度中误差平均值的2√2倍，即为0.4m作为对比较差的限值指标；对大于20m的水深测量，将前述0.4m的限值按20m水深折合成百分比误差，即为0.02×H（m）。其次要把换能器安装在距离船头1/2～1/3的位置；然后在测区建立验潮点及气象监测点。验潮点实际就是在测区范围内的岸边做一水位标尺，多次读取水位数据的同时根据气象监测点读取风速级别，对其进行比较分析，计算出验潮期与无潮期的误差参数，最后在对接收器上读取的数据进行加以改正。这样就可以大大减小风浪对水下地形测量的影响。另外在坡度变化较大的河流区域，如果定位中心与换能器中心偏移较大将导致所测的水深失真，影响成图质量，因此必须进行偏心改正。

6. 结语

水下地形测量是水上平面测量和水中水深测量的相结合，所以影响的因素很多。在实际的测量过程中只要能按照以上的描述加以注意，就能得出理想的测绘数据，然而最关键是绘制地形图的过程中要对原始数据生成的等高线加以分析，再对所测数据进行筛选。主要表现在三维的地形图形中不能出现等高线交叉、直拐、或者非圆滑变化等错误特性。如果筛选后绘制的地形图还存在类是问题，就必须对区域进行重测，直到得出能够实际反应水下地形的三维坐标，最终绘制出合格的地形图。

参考文献

[1]《工程测量规范》（GB50026-2007）；主编：中国有色金属工业协会2.《水电水利工程施工测量规范》（2007-06-01）.

[2]彭福坤，彭庆主编。土木工程施工测量手册。北京：中国建材工业出版社.