海洋水深测量技术

摘要： 

利用各种方法可进行海洋水深测量。单波束回声测深仪利用声脉冲（水声）发射与海底反射声波（回声）到达之间的时间差，通过电声信号测量水深。

多波束回声测深仪则发射数百个测量波束。风扇沿着测量剖面探测海底的条带。由此可以创建数字地形模型。

一种新方法是飞机激光扫描法（机载激光雷达测深法），用于确定中低水深和低浊度水域的水土地形。激光扫描仪在绿色波长范围内同时扫描水面和水底。

详细介绍

单波束回声测深

单波束回声测深仪是一种在短时间内探测较大区域的测量仪器。

传感器向湖底发射声波信号，测量回波到达的时间。根据使用的频率，可记录不同的土壤层。

为此，传感器通常安装在船体上。通过测量传感器，可将传感器的位置和高度与卫星定位系统的天线位置联系起来。

通过卫星测量程序使用校正参数进行定位，并用测得的水上声速校准回声测深系统，可实时计算出海底测量点的高精度位置和高度。这样，每秒可产生约 10 个地面测量点。

单波束回声测深仪用于记录海底剖面。这些剖面按照假定的海底坡度方向排列，以便能够很好地探测坡度的变化。大部分平行剖面之间的距离取决于地形的不平整度和所需的海底勘测精度。单波束回声测深仪测量的优势在于，在计算上述修正后，可立即获得勘测结果。可以在短时间内进行进一步评估，因此这种方法适用于快速记录较大区域和变化较大区域的海底地形。缺点是测量剖面之间没有测量信息，因此与使用多波束回声测深仪等进行全区域测量相比，测量的精度和分辨率非常有限。

多波束回声测深仪是单波束回声测深仪的衍生产品。根据深度的不同，多波束回声测深仪可以在短时间内测量海底横跨船只的宽幅区域。声学测量的基本原理与单波束回声测深仪相似。使用这种方法时，集成在船体中的传感器会以扇形发射多个声波信号，然后捕捉海底反射的信号。根据信号的不同传输时间计算出海底深度。在扇形宽度范围内，每秒可同时记录数百个数据点。在这种方法的帮助下，可以创建测量到的海底地形模型。

由于水层的密度、温度和盐度不同，声波信号在水层中会发生折射。因此，需要使用水声剖面图来校正海底测量点的位置。在勘测前后，使用特殊的水声声速探头记录这些数据，并将其附在数据上。勘测期间，通过卫星定位系统对船只进行高精度定位。船舶惯性导航系统则精确记录船舶的位置角（滚动、俯仰和偏航）。这些高精度信息与测量数据实时相连。这些系统共同保证了测量数据的高精度位置坐标。

海底测量采用多波束回声测深仪，尽可能覆盖整个区域。在选择剖面时，要使测量带的边缘重叠，以便相互控制测量结果。

在船上的屏幕上，根据勘测期间的测量结果实时建立地形模型。然后对数据进行清理和评估。对于制作海图来说，评估只需很短的时间，但对于其他应用，如科学分析和高精度的海底地形图，评估则非常耗时。

随着海底深度的减小，扇形宽度也随之减小。因此，多波束回声测深仪宜用于较深的区域。然而，在非常浅的瓦登海域却很难使用多波束回声测深仪。在那里，可以记录滩涂的表面模型。

定位系统：

如今，测量船的位置几乎完全由卫星定位系统确定。这些卫星定位系统也称为全球导航卫星系统，由免费提供的美国全球定位系统服务提供。然而，商用全球导航卫星系统接收器的精度为 ±2-10 米。因此，这种形式的全球导航卫星系统设备在测量中的用途有限，只能根据国际水文学组织的规范在远离海岸的深海区域使用。

在海岸和安全相关区域进行高精度测量时，需要使用具有所谓实时运动学的专业 GNSS 设备。实时校正通常通过移动无线电从基地基准站发送到移动船舶上的 GNSS 设备。测量时，可根据需要建立自己的临时基准站，或使用德国国家测量局卫星定位服务（SAPOS）永久安装的基准站。接收到的校正数据经过内部转换，因此精度在小厘米范围内。

回声测深仪记录的深度数据在船上通过全球导航卫星系统定位信息和船舶位置信息进行实时校正，以获得高精度的深度信息。

新的测量技术和替代测量平台大大提高了测量效率。目前在水文测量和沉船搜寻中已经使用的现代方法包括机载激光测深法和卫星图像数据评估法等，但由于测量原理的限制（如激光测深法中可达到的最大穿透深度或卫星图像数据评估法中预期的三维坐标精度），这些方法应被视为补充测量方法。它们不能完全取代水声测量方法。

激光测深

飞机激光扫描法可有效测定中低水深和低浊度水域的水体地形。该方法基于绿色波长范围内的激光扫描仪对水面和海床进行同步扫描。目前，北海和波罗的海的浑浊度限制了该测量方法在最深约 10 米的浅水区的适用性。因此，激光测深法是对通常的船载水声测量方法的一种补充。BSH 目前正在调查激光测深方法和系统对沿海地区海洋勘测的贡献程度。

星基传感器和无人平台

卫星提供有关地球和海洋表面以及大气层组成的宝贵信息。卫星测深（SDB）是指从卫星图像数据中提取海底地形。对于浅水区，可通过结合不同光谱波段的光学卫星图像数据直接测量海底地形。这为 BSH 的水文测量提供了一个有趣的选择：光学 SDS 方法可以连续测量水深达 10 米左右的浅水区，时间分辨率高。测量所需的工作量非常小；但是，与水声方法获取的数据相比，可提取的深度值不够精确和可靠。因此，卫星遥感数据特别适用于规划勘测作业。通过更好地了解海底的变化，可以更有效地优先安排船只的作业时间，并更有针对性地规划重复测量。

此外，正在测试使用无人勘测平台。除了自主勘测船（无人水面航行器 USV）和水下航行器（无人水下航行器 UUV），未来还将使用飞行机器人（“无人机”，无人航空器 UAV）。无人机支持的空中勘测通过评估重叠的彩色航空照片提供最新的航空地图（正射影像图）。有了这些地图，就可以更好地规划作业，尤其是在北海瓦登海等干涸的多变地区。

未来期望

除了研究在特殊条件下勘测的替代设备载体和测试海洋勘测的新方法外，为了满足对地形信息质量的更高要求，新的和进一步发展的基本方法也发挥着重要作用。例如，在跨学科合作中，精确计算水深所需的声速是以现场测量的声速剖面为基础进行建模和优化的。在另一个项目（www.famosproject.eu）中，借助卫星支持的定位方法进一步开发了潮汐进给。为此，将提供一个海流（大地水准面）模型，该模型准确可靠地描述了波罗的海地区的地球引力，是当今卫星导航所不可或缺的。

参考来源：

BSH - Survey Methods