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　　海底地形地貌测量方法;当前第6页\共有89页\编于星期五\10点;海底地形测量是测量海底起伏形态和地物的工作。是陆地地形测量在海域的延伸。按照测量区域可分为海岸带、大陆架和大洋三种海底地形。特点是测量内容多，精度要求高，显示内容详细。 水深测量经历了如下几个发展阶段：测绳重锤测量（点测量） 单频单波束测深（点测量） 双频单波束测深（点测量） 多波束测深（面测量） 机载激光测深（面测量） 水下地形测量的发展与其测深手段的不断完善是紧密相关的 。;单频单波束测深（点测量） 安装在测量船下的发射机换能器，垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底，经反射或散射返回，被接收机换能器所接收。设经历时间为t，换能器的吃水深度D，则换能器表面至水底的距离(水深)H为：;回声测深仪由发射机、接收机、发射换能器、接收换能??、显示设备和电源部分组成。;当前第6页\共有89页\编于星期五\10点;当前第6页\共有89页\编于星期五\10点;为了求得实际正确的水深而对回声测深仪实测的深度数据施加的改正数称为回声测深仪总改正数。;转速改正△Hb是由于测深仪的实际转速ns不等于设计转速 n0所造成的。转速改正数△Hn为：;校对法利用水陀、检查板、水听器等，实测从水面起算的准确深度;四波束扫海测深仪主要由四个收、发台的换能器，同步控制器和图示记录器织成。四个换能器在船上的安装方式有舷挂式和悬臂式两种。;多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来，能一次给出与航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深度。它能够精确地、快速地测定沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状、最高点和最低点，从而较可靠地描绘出水下地形的精细特征，从真正意义上实现了海底地形的面测量。 与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和效率高、记录数字化和实时自动绘图等优点。;当前第13页\共有89页\编于星期五\10点;当前第14页\共有89页\编于星期五\10点;多波束系统是由多个子系统组成的综合系统。对于不同的多波束系统，虽然单元组成不同，但大体上可将系统分为多波束声学系统（MBES）、多波束数据采集系统（MCS）、数据处理系统和外围辅助传感器。 其中，换能器为多波束的声学系统，负责波束的发射和接收；多波束数据采集系统完成波束的形成和将接收到的声波信号转换为数字信号，并反算其测量距离或记录其往返程时间；外围设备主要包括定位传感器（如GPS）、姿态传感器 （如姿态仪）、声速剖面仪（CDT）和电罗经，主要实现测量船瞬时位置、姿态、航向的测定以及海水中声速传播特性的测定；数据处理系统以工作站为代表，综合声波测量、定位、船姿、声速剖面和潮位等信息，计算波束脚印的坐标和深度，并绘制海底平面或三维图，用于海底的勘察和调查。;7．4．2 多波束系统的声学原理;相长和相消干涉;发射器越多，基阵越长，则波束角越小，指向性就越高。设基阵的长度为D，则波束角为：;当前第19页\共有89页\编于星期五\10点;下面以多波束中的直线阵列换能器为例，说明基线阵列的指向性以及声强特征。;)后，便可根据波束的设计宽度，;当前第22页\共有89页\编于星期五\10点;当前第23页\共有89页\编于星期五\10点;当前第24页\共有89页\编于星期五\10点;·换能器基阵的束控;当前第26页\共有89页\编于星期五\10点;曲面换能器波束束控示意图;当前第28页\共有89页\编于星期五\10点;·波束的形成;时延;设 0(k)为第k个波束的空间方位角，则第k个波束的输出响应为：;当前第32页\共有89页\编于星期五\10点;当前第33页\共有89页\编于星期五\10点;当前第34页\共有89页\编于星期五\10点;当前第35页\共有89页\编于星期五\10点;当前第36页\共有89页\编于星期五\10点;当前第37页\共有89页\编于星期五\10点;·波束的发射、接收流程及其工作模式;多波束的波束接收原理图;当前第40页\共有89页\编于星期五\10点;当前第41页\共有89页\编于星期五\10点;当前第42页\共有89页\编于星期五\10点;当前第43页\共有89页\编于星期五\10点;No Stabilisation;Roll and Pitch Stabilisation;Roll, Pitch and Yaw Stabilisation;7．4．3 多波束测深数据处理;波束在海底投射点位置的计算需要船位、潮位、船姿、声速剖面、波束到达角和往返程时间等参数。计算过程包括如下四个步骤：;波束脚印船体坐标的计算需要用到三个参量，即垂直参考面下的波束到达角、传播时间和声速剖面。;上式的一级近似式为：;;不同声速不同指向角下的指向角误差曲线;曲面换能器波束束控示意图;直线阵与曲线阵的波束传播区别 对于直线换能器基阵，存在波束束控。如果表层声速有误差，则初始的波束出射角存在误差，但仍然满足Snell法则。;折射误差的表现;高分辨率测深侧扫声纳简称为HRBSSS声纳(High Resolution Bathymetric Sidescan Sonar)。HRBSSS声纳分辨率高 、体积小、重量轻、功耗低以及声纳阵沿载体的长轴安装，特别适用于AUV、HUV、ROV、拖体和船上，在离海 底比较近的高度上航行，获得高分辨率的地形地貌图。 声纳阵包括左舷和右舷两个声纳阵，自主开发的声纳软件包括水上数字信号处理软件、水上服务器软件、声纳驱动软件和水下主控软件，以及用于调试测试的终端调试测试软件、终端调试测试软件和声纳仿真软件。;软件功能介绍：;·用户图形接口软件的主要功能是对数字信号处理结果数据进行实时修正并成图；提供与水上服务器的接口 ，发送声纳操作指令，接收水上数字信号处理软件处理的结果数据，提供与输入输出设备、传感器设备、存储设备连接的接口。;高分辨率测深侧扫声纳因具有较高的分辨率和测深精度，可以用于水下目标的探测。;目前有利用水下载人潜水器、水下自治机器人(AUV： Autonomous Underwater Vehicle)或遥控水下机器人(ROV： Remotely Operated Vehicle)，集成多波束系统、侧扫声纳系统等船载测深设备，结合水下DGPS技术、水下声学定位技术实现水下地形测量的思想和方法。 水下机器人因可以接近目标，利用其荷载的测量设备，可以获得高质量的水下图形和图像数据。目前使用的潜水器以自动式探测器最先进，探测器内装有水声定位系统。;早期的载人潜器和法国的Nautile 载人潜器 一般讲，采用水下潜水器进行水下地形测量工作同用水面船只测量的手段和方法大致一样。只是在水下测量时，需要测定潜水器本身的下沉深度。因此，一般需要使用液体静力深度计和向上方向的回声测深仪。;一些技术比较先进的国家在潜水器上安装了水下立体摄影机。这种随潜水器运动的水下立体摄影测量，在某种程度上同航空摄影地形测量工作原理一样。 由机器人深潜水下，在接近水底时用水下摄影的方式获得水下目标的图像。;进行海底地形测量，最有前途的方法还是利用具有高分辨率的声学系统。声学系统由超声波发射器、水声接收机和电视显示器所组成。;机载激光雷达(LIDAR)是一个集现代三种尖端技术于一身的空间测量系统，它又分为用于获得地面数字高程模型 (DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下 DEM的海道测量LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激 光进行探测和测量，即Light Detection And Ranging - LIDAR 。 LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系 统(INS)三种技术于一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。机载激光雷达是一种低成本高效率获取空间数据的方 法。它的优势在于对大范围、沿岸岛礁海区、不可进入地区、 植被下层、地面与非地面数据的快速获取。缺陷在于对水质要 求较高。;当前第65页\共有89页\编于星期五\10点;当前第66页\共有89页\编于星期五\10点;当前第67页\共有89页\编于星期五\10点;激光测深的原理与双频回声测深原理相似，从飞机上向海面发射两种波段的激光，一种为红光，波长为1064nm，另一种为绿光，波长为523nm。红光被海水反射，绿光则透射到海水里，到达海底后被反射回来。这样，两束光被接收的时间差等于激光从海面到海底传播时间的两倍，由此可算得海面到海底的深度。;不同的机载激光测深系统所发射的红外激光和绿光的波长稍不相同。机载激光测深系统的最大探测深度，理论上可以表达为：;应用： 机载激光测深具有速度快、覆盖率高、灵活性强等优点，可作常规海道测量之用。机载激光测深具有快速实施大面积测量的优点，被海洋大国广泛应用于沿岸大陆架海底地形测量之中。除了常规的海底地形测量之外，机载激光测深的覆盖率高决定了它还能提高探测航行障碍物的探测率。 同时，机载激光测深还能提高发现水下运动目标(如潜艇)的发现概率。对无深度信息的登陆场，机载激光测深可迅速、安全地获取信息，从而提高快速反应部队的作战能力。机载激光还可用来测量海区的混浊度，测定温度、盐度。在海洋工程中，机载激光测深可以测定港口的淤积等。;为能够采集到海区内足够的海底地形测量数据，以能够反映海底地形地貌起伏状况，提高发现海底特殊目标的能力以及考虑到测量仪器载体的机动性和测量的效率、费用、安全等因素，在海底地形测量之前需要设计和布设测线。 测线是测量仪器及其载体的探测路线，分为计划测线和实际测线。海底地形测量测线一般布设为直线。海上测线又称测深线。测深线分为主测深线和检查线两大类。 确定测线布设的主要考虑因素是测线间隔和测线方向。;·测深线的间隔;·测深线方向;依据探测海区的精度要求、海底覆盖率不同划分、定义了四种测量等级。 一级测量：只适用于海道测量部门明确规定的重要海区；要求必须把所有误差源降到最小限度，测线间距要小，并要求使用侧扫声纳 、换能器阵列组成高分辨率多波束回声测深仪达到100％的海底覆盖率。 二级测量：适用于其他港口、入口航道、一般的沿岸和内陆航道，限于水深小于l00米的海区使用。 三级测量：适用于水深浅于200米且不被一、二级测量覆盖的海区。 四级测量：四级海道测量适用于水深超过200米且不被一、二、三级海道测量所覆盖的其它所有海区。;水深精度应理解为改正后水深的精度。水深精度主 要取决于对影响水深值的系统误差和可能的随机误差的估计精度。总传播误差由所有对测深有影响的因素所造成的测深误差组成，其中包括：① 与声信号传播路径(包括声速剖面)有关的声速误差；② 测深与定位仪器自身的系统;误差估计形式：;水深探测所要估计的最大影响因素就是海洋潮汐的影响。消除原始测深数据中的潮汐因素的方法就是在一定基准控制下对测深数据逐时逐点进行水位改正。 水位改正是将测得的瞬时深度转化为一定基准上的较为稳定数据的过程，其目的是尽可能消除测深数据中的海洋潮汐影响，将测深数据转化为以当地深度基准面为基准的水深数据。 水位观测过程中采用以“点”带“面”的水位改正方法 ，水位改正方法主要有单站水位改正法、线性内插法、水位分带法、时差法和参数法等。;·单站水位改正法;（三站水位改正数模 ）;·分带条件： ① 当测区有图时，可以判断主要分潮的潮波传播是否均匀，来确定分带与否。② 若测区无潮波图时，可根据海区自然地理(海底地貌、海岸形状等)条件，以及潮流等因素加以分析。;·时差法;·参数法;两曲线比较示意图;为保证能达到要求的测量成果精度，必须对测量过程进行检查和监督，以下给出一些建立质量管理的准则。 定位方面。如果定位系统没有提供多余的或其他监测系统性能的方法，则需要进行严格的、经常性的校准。 测深方面。一个标准的质量管理程序应通过进行多余的水深测量来检查测深的有效性。;数据格式的统一化及标准化应包括如下内容：;7．12．1 绘制海底地形图 海底地形图的表现形式一般可分为二维等深线图和三维海底地形立体图。自动绘制等深图常用方法主要有两种，一是三角形法，二是网格法。 网格法绘制等深线分为在网格边上求出等值点，追踪等值点和连接并光滑等值点连线自动绘制海底地形立体图 海底地形立体图是指海底地形立体透视图。绘制海底地形立体图，通常采用透视变换原理的连续断面法来绘制。;其基本思想是进行坐标的透视变换，即完成三维空间坐标到二维平面坐标系统的线性变换。其次是消去隐藏线，即处理由于前面物体遮挡而无需画出的图形。;隐藏线的处理 绘制立体图时，如果前面的??视剖面线的高程z坐 标值大于其后面出现的剖面线某些部分的z坐标值，后面的剖面线上的那些部分就要被遮盖，这就是隐藏线。 将相邻的四个数据点连接成四边形，结果就形成一个曲面，对这个曲面实现平面立体的消影算法,即能得到消除了隐藏线的网状曲面立体图。;海底立体地形图

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