单波束水深(海底地形)测量的基本原理是垂向水声测距。和其他测距方式类似,水深成果误差的中误差可表达为加常数中误差与乘常数中误差两部分的叠加,即
式中,a为加常数中误差,b为相对中误差。
测深仪的标称精度通常也是由式(5.28)的形式描述的,反映为测深仪本身的稳定性与灵敏度。现代单波束测深仪的标称精度通常可达到σ=±(0.01m+0.1%·z),z的单位为m。
而利用测深仪所测定的海底地形成果的精度远不限于仪器本身的精度与灵敏度,而是与测量过程中的各种环境因素、载体因素等有关。总体精度指标应表达为式(5.27)的形式。
仪器吃水,包括静态和动态吃水误差,反映为测深传感器的绝对垂向变化,尽管在浅水域和深水域行为略有不同,但构成加常数中误差的来源。
加常数中误差的另外一种主要贡献来源是动态水位向选定的深度基准的归算,即涉及以潮汐为主要原因的水位改正误差。相关原理在第2章已做简要说明,在此进一步补充介绍。水位改正是指对以潮汐为主的海面变化所进行的改正。通常通过在测区及附近设立验潮站(水位站)监测海面的垂直变化,以及对监测水位的时空内插,获取测点处水位信息。水位实质上是潮汐涨落和气象等因素引起的增降水的组合,是海面的低频变化,在验潮站布设密度足够的情况下,可按较高精度(厘米级)内插测点的水位(改正)值。对于开阔的深水海域,如大陆架海域,一方面因为潮汐作用较小,且涨落规律性强,另一方面由于在水位改正误差在总体误差中的比例减小,通常可采用潮汐预报法获取水位改正数。而对于深于200m的海域,国际和国内的通行规定是可不顾及水位改正项。值得说明的是,水位改正本质上属于垂直基准归算,它将测定的深度(经吃水改正后的瞬时水面与水底的垂直距离)归算至所需的垂直基准面。最终的海底地形点高程(水深)所依据的垂直参考系依赖于水位改正数据所采用的垂直参考基准。
海底地形(测深)成果精度的加常数表示部分主要是由上述误差改正或归算后的残余量贡献。(www.daowen.com)
声速、波束角及其与姿态耦合效应产生的误差以及收发换能器之间的基线产生的深度误差均与深度值有关,且基本成正比。因此,这些误差影响深度精度的乘常数部分,当作相关的改正或归算后,构成乘常数精度指标部分。
国际海道测量组织(IHO)出版的《海道测量标准》中,对水深测量定义了特等、一等a、一等b、二等四个等级。姑且不论对海底地形测量的覆盖程度和分辨率要求,仅就水深测量精度而言,各等级的水深精度指标如表5-1所示。
对于特等和一等测量,加常数误差应分别控制在0.25m或0.5m(95%置信度),主要考虑综合性动态吃水误差和水位改正误差,将两项误差均限定为规定误差限的(即0.707)倍,则95%置信度指标分别为17.7cm和35.4cm,对应的中误差分别应达到9cm和18cm。在实际情况下,显然,对于浅水域海底地形测量,上述两项误差因素具有基本等同的贡献,均需有效设计与控制,特别是实现合理的监测与归算。随着水深增加,主要的控制因素为动态吃水效应。
表5-1 国际标准的水深精度指标
因为目前测深仪本身的标称指标远优于列表的精度指标,故与水深成比例的误差主要考虑声速改正、姿态与海底倾角误差。在特等和一等水深测量时,乘常数误差应分别控制在0.0075和0.013以内,同样考虑这些指标对应于95%的置信度,对此取相同贡献,并化算为相对中误差,则分别对应为0.0027和0.0047。根据声速误差的影响公式,声速误差应分别控制在和4.05m/s和7.03m/s(按标准声速1500m/s估算)。在不计姿态的情况下,波束角影响对应的地形倾角限差分别为4.2°和5.5°,而精细的海底地形测量应该考虑姿态的可靠监测与改正。
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