理论教育 水下地形测量:分辨率与比例尺

水下地形测量:分辨率与比例尺

时间:2023-09-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:对海底地形的精细探测,要求有尽量高的分辨率,以探测和描述地形的微细形态变化,而覆盖面积大则意味着特征地物地貌遗漏概率小。显然,这些大比例尺水深测量的核心目标是保证舰船的航行安全,根据海区的重要性不同,有些区域还采用其他的比例尺。利用单波束测深技术开展海底地形测量所采用的断面抽样测量模式,无论分辨率和覆盖尺度都是有限的,在测线之间不可避免存在微地形遗漏。

水下地形测量:分辨率与比例尺

1.海底地形探测的分辨率

在单波束测深模式下,即便考虑由测量船结构引起的横摇大于纵摇现象,保证声波可靠的发射与接收,横向波束角也不过设计为几度到十几度,横向波束对海底的覆盖宽度(水平投影)为:

其中,为角度以度和弧度度量的变换量。

分别按照ΘW=6°和ΘW=15°估算,当海底的覆盖宽度约为水深的0.1和0.26时,此即单波束测深仪对海底地形实测分辨率。若同时考虑纵向波束,声波对海底探测的波束脚印总是视为与深度成比例的矩形或因地形变化而变形的梯形区域。

海底地形实际探测的分辨率是声波对海底覆盖的纵、横尺度或面积。因为在单波束海底地形测量模式下,沿测线方向的声波收发可视为连续过程,故实现沿测线狭窄条带的全覆盖探测,仅需重点分析横向分辨率。分辨率与覆盖尺度是一对矛盾概念,分辨率越低,对应的观测覆盖尺度越大。对海底地形的精细探测,要求有尽量高的分辨率,以探测和描述地形的微细形态变化,而覆盖面积大则意味着特征地物地貌遗漏概率小。单波束测深技术对海底覆盖尺度和分辨率两个指标无法兼顾,而由后发展起来的多波束和侧扫声呐技术拥有更进一步的功能,较传统利用人工器具的离散点测深采样模式是巨大的技术进步。

2.测图比例尺与水深分辨率(www.daowen.com)

传统的水深测量中,测量比例尺决定了主测线的布设密度,一般要求是以图上1cm布设主测线,反过来,一定的测线密度要求也就对应于确定的最低比例尺(根据探测密度要求可以将比例尺适度放大)。

海底地形(水深)测量所采用的比例尺在大陆架海域通常设定为1∶1万、1∶5万和1∶10万等,对应的主测线间距分别为100m、500m和1000m,该比例尺在沿岸海域扩大到1∶5000,航道、锚地和码头港池甚至按1∶2000、1∶1000或1∶500,对应的主测线间距分别减小到20m、10m和5m。显然,这些大比例尺水深测量的核心目标是保证舰船的航行安全,根据海区的重要性不同,有些区域还采用其他的比例尺。对大洋区域,海底地形形态主要决定于地质构造形成的原因,并具有较大的空间尺度,而沉船等特征地物在这类大水深区域对舰船安全航行威胁减小,因此常以1∶50万、1∶100万等小比例尺施测,并直接采用与航海图编制一致的墨卡托投影方式。

鉴于自然海底在底质构造规律上存在一定程度的连续性,在海洋特别是海底流场等动力学作用下,海底特征地貌具有一定的延伸范围。因此,当在采用基本比例尺发现海底异常地貌变化时,通常在特征地貌附近的小区域内将基本测线间距缩小一半,实施加密探测,并在此基础上,围绕特征地貌做更详尽的探测。而对于沉船等特征地物,往往根据事故发生信息,在疑点附近实施高密度测线的加密探测。

利用单波束测深技术开展海底地形测量所采用的断面抽样测量模式,无论分辨率和覆盖尺度都是有限的,在测线之间不可避免存在微地形遗漏。特别是在小比例尺测量时探测的不完善性和可靠性会有所降低。而在近岸及重要海区实施的大比例尺测量,限于传统定位技术的精度,水深点的位置也难以达到与比例尺相对应的图上毫米级乃至亚毫米级的精度。在高精度GNSS技术广泛应用于海洋定位的现代技术(姿态应用情况下的测深传感器精确定位级别)条件下,海底地形点的位置与比例尺的匹配性得到较大程度改善。而由于波束角效应以及测量载体摇晃,海底的变化特征等因素影响,所测海底地形点与位置也可能存在一定偏差,因此,严格的姿态修正与位置归算在海底地形测量中是需要重点考虑的问题,而为航海需要而开展的水深测量普遍采用的取浅原则,在精细探测和认知海底精细形态的海底地形测量模式下,则需进一步深化分析和处理方法。

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