CN106768187B - 一种多潮位站海道地形测量水位自记仪固定装置 - Google Patents
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Abstract
一种多潮位站海道地形测量水位自记仪固定装置，方法包括潮位站布设、潮位数据采集、海域临时潮位站零点联测、基面计算与传递；固定装置包括固定盘，在所述固定盘中心点设有中心杆，二根加强杆一端连接在中心杆上、另一端连接在固定盘边缘上，二根加强杆之间的夹角大于10度，二根所述的加强杆之间通过连接杆连接，在其中一根加强杆与连接杆的连接处设有固定绳套筒，固定绳一端穿过固定绳套筒连接在另一根加强杆上；水位自记仪设在中心杆上；所述中心杆与所述加强杆中设有配重。本发明的优点是，实现精确测量潮位，进而对大面积海域进行有效控制，实现大面积多潮位站海道地形测量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种多潮位站海道地形测量潮位控制方法和装置，特别涉及大面积海域海道地形测量多潮位站潮位控制方法。
背景技术
随着沿海及近海地区的开发与利用，海洋航运、港口码头修建、渔业养殖等人类活动愈加频繁，对海洋的分析研究要求也越来越高，这势必造成对获取的海洋信息的详细度要求越来越高。大面积海洋测绘精度已经逐步实现了由小比例尺测绘资料向中小比例尺资料的过渡。因此，传统的通过用沿岸设立潮位站，对大面积海域的测量资料进行单站潮位改正的测绘方式已经无法满足精度的要求，我们不得不将目光投向对测量资料进行多站潮位改正这一研究方向。然而受海洋潮汐、地球曲率、涌浪等诸多外界因素的影响，多潮位站海道地形测量对潮位站的布设尤其是海域临时潮位站的布设、海域临时潮位站零点联测、基面计算与传递的要求较为严格。虽然针对每种技术要求都有多种处理方法，但多潮位站海道地形测量的综合性较强，难度较大，从而导致了该类项目实施困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种多潮位站海道地形测量潮位控制方法和装置，实现精确测量潮位，进而对大面积海域进行有效控制，实现大面积多潮位站海道地形测量的目的。
为了实现上述目的，本发明技术方案是潮位站布设、潮位数据采集、海域临时潮位站零点联测、基面计算与传递；
所述潮位站布设，在测试区域至少设置一个沿岸基准潮位站和一个海域临时潮位站，海域临时潮位站使用特定水位自记仪固定装置抛射在海域中设计位置；
所述采集潮位数据采集，同步收集沿岸基准潮位站与海域临时潮位站潮位数据3天以上，且沿岸基准潮位站连续观测1个月潮位数据用于潮汐调和分析；
所述海域临时潮位站零点联测，根据同步收集的沿岸基准潮位站与海域临时潮位站潮位数据，采用最小二乘拟合模型传递潮位站零点高程，最小二乘拟合模型如下：
TB(t)＝γAB·TA(t+δAB)+εAB，
式中：
TA(t)──基准潮位站A的实测潮位(m)；
TB(t)──海域临时潮位站B的实测潮位(m)；
γAB──基准潮位站A与海域临时潮位站B的潮差比；
δAB──基准潮位站A与海域临时潮位站B的潮时差；
εAB──基准潮位站A与海域临时潮位站B的起算零点差；
所述基面计算与传递：通过潮汐调和分析和半潮差法计算测区内基面转换关系，两种方法相互验证，确保基面转换关系的正确性。潮汐调和分析模型如下：
临时潮位站在任意t时刻的潮高h(t)可表为：
其中H0为平均海平面，fk为节点因子，Rk为分潮角速度，(v0+u)k为分潮初相，Hk、gk即为分潮调和常数。
半潮差法计算模型如下：
式中：L′x为临时潮位站深度基准面与同步期平均海面的高差(m)；
L为长期潮位站深度基准面与同步期平均海面的高差(m)；
Px为临时潮位站同步期的平均半潮差(m)；
P为长期潮位站同步期的平均半潮差(m)。
一种多潮位站海道地形测量潮位控制的水位自记仪固定装置包括固定盘，在所述固定盘中心点设有中心杆，二根加强杆一端连接在中心杆上、另一端连接在固定盘边缘上，二根加强杆之间的夹角大于10度，二根所述的加强杆之间通过连接杆连接，在其中一根加强杆与连接杆的连接处设有固定绳套筒，固定绳一端穿过固定绳套筒连接在另一根加强杆上；
水位自记仪设在中心杆上；
所述中心杆与所述加强杆中设有配重。
进一步讲，所述中心杆下端设有连接接头，水位自记仪通过连接接头连接在中心杆上。
进一步讲，固定绳通过滑动套筒连接在加强杆上，固定绳一端通过滑动套筒连接在加强杆上、另一端连接指示浮漂，滑动套筒套在加强杆上、并通过弹性部件连接。
进一步讲，指示浮漂上还设有GPS定位装置。
进一步讲，滑动套筒直径是加强杆直径的1.5-2.5倍，滑动套筒与加强杆之间至少设有一根横向弹性部件和一根纵向弹性部件连接。
本发明的优点是，(1)通过特定水位自记仪固定装置能够稳固安全的固定海域临时潮位站水位自己仪，进而获得有效的海域潮位资料。(2)利用最小二乘拟合理论能够实现海域临时潮位站与沿岸基准潮位站之间的零点联测。解决了海域临时潮位站潮位计零点无法获取这一难题。(3)分别利用潮汐调和分析法和半潮差法求解潮位站间的基面转换关系，求解成果相互验证，确保基面转换关系的正确性。
附图说明
图1最小二乘拟合法模型。
图2黄海某海域临时潮位站位置图。
图3多潮位站海道地形测量潮位控制的水位自记仪固定装置结构示意图。
图4滑动套筒与加强杆连接示意图。
图5潮位数据预处理示意图。
图6该海域附近长期潮位站基面关系图。
图7海域临时潮位站“2#”站基面关系。
如图中，固定盘1、中心杆2、加强杆3、连接杆4、固定绳套筒5、固定绳6、水位自记仪7、滑动套筒8、弹性部件9。
具体实施方式
本多潮位站海道地形测量潮位控制方法的理论基础：
(1)最小二乘拟合模型
如图1所示，以时间为X轴，潮位值为Y轴，曲线TA(t)与TB(t)为基准潮位站A、临时潮位站B同步潮位曲线两同步潮位曲线存在三个参数方面的差异，包括水平位移即两潮位间的潮时差δAB；垂直位移即两验潮站的基准面偏差εAB(应用到本文为两验潮站的起算零点差)；和同步潮位值的比值即潮差比γAB。则曲线TA(t)与TB(t)存在下列关系：
TB(t)＝γAB·TA(t+δAB)+εAB (1)
式中：
TA(t)──基准潮位站A的实测潮位(m)；
TB(t)──临时潮位站B潮位站的实测潮位(m)；
γAB──两潮位站的潮差比；
δAB──两潮位站的潮时差；
εAB──两潮位站的水尺零点差。
(2)半潮差法
临时潮位站附近有一个长期或短期基准潮位站时，临时潮位站的理论最低潮面可通过长期或短期潮位站的基面关系推算求得。根据《JTS131-2012,水运测量规范[S]》所述，在大潮期同步观测两站水位2～3d，计算同步期平均海面。两站潮差差值不大于0.1m时，临时水位站的深度基准面与同步期平均海面的高差，可借用邻近长期或短期水位站的深度基准面与同步期平均海面的高差值；当两站潮差差值大于0.1m时，临时水位站深度基准面与同步期平均海面的高差应按下式计算：
式中：L′x为临时潮位站深度基准面与同步期平均海面的高差(m)；
L为长期潮位站深度基准面与同步期平均海面的高差(m)；
Px为临时潮位站同步期的平均半潮差(m)；
P为长期潮位站同步期的平均半潮差(m)。
(3)潮汐调和分析
临时潮位站附近无基准潮位站或基准潮位站离测区较远，可根据潮汐调和分析求解临时潮位站的基面转换关系。
由潮汐理论知，海洋中的潮汐主要是由月球和太阳对地球的引潮力所致。所谓调和分析，就是把月球等天体引起的复杂的潮汐现象，分离成由许多假想天体相对于地球作均速圆周运动而产生的潮汐(即分潮)之和。即对某一潮位站，在任意t时刻的潮高h(t)可表为
其中H0为平均海平面，fk为节点因子，Rk为分潮角速度，(v0+u)k为分潮初相，Hk、gk即为分潮调和常数。
利用M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M6、Sa、Ssa等13个分潮的调和常数，根据弗拉基米尔法可计算出理论最低潮面与高程基准的基面偏差。
以黄海某海域水下地形测量项目为例：
(1)潮位站布设
1)潮位站点位选择
以黄海某海域水下地形测量项目为例，如图2，测区范围宽约为20km，长约为40km，为满足规范规定潮位控制要求，在沿岸码头设置基准验潮站，连续观测1个月，用于潮位调和分析；在码头南北约10km处各设置一个临时潮位站，在测区外侧离岸边约40km海域设置一个临时潮位站。岸边三个临时潮位站水尺零点高程按四等水准从Ⅲ等水准控制点上引测，海域临时潮位站起算零点高程通过最小二乘曲线拟合推算。
2)固定架制作与抛射
由于海洋环境多变，多潮位站海道地形测量潮位控制的水位自记仪固定装置应保证稳定安全，为确保潮位数据安全，一般应在重要的潮位站布设2个以多潮位站海道地形测量潮位控制的水位自记仪固定装置，这样可以保证在单个水位自记仪故障或丢失的情况下，仍然有可用的潮位数据。
在远离岸边的区域抛射水位自记仪应采用质量较重的材质，并在潮流方向上增加锚绳固定，由于水位自记仪固定架抛射后存在沉降现象，因此应在测量开始前几天抛射，待其稳定后再进行测量作业。
如图3中，一种多潮位站海道地形测量潮位控制的水位自记仪固定装置包括固定盘1，在所述固定盘1中心点设有中心杆2，二根加强杆3一端连接在中心杆2上、另一端连接在固定盘1边缘上，二根加强杆3之间的夹角大于10度，二根所述的加强杆3之间通过连接杆4连接，在其中一根加强杆3与连接杆4的连接处设有固定绳套筒5，固定绳6一端穿过固定绳套筒5连接在同一根加强杆3上，固定绳6另一端连接指示浮漂，优选的指示浮漂上还设有GPS定位装置，通过GPS定位装置可以时实了解指示浮漂的位置，以便于对指示浮漂进行定位，方便找到指标浮漂，因固定绳的长度是相对固定的，也可以通过对指示浮漂的定位，以确定下端水位自记仪7位置(因为是定点测量，在测量过程中可能因为海底环流的原因，使本发明中的固定装置偏离原先设定的位置，从而使数据失真，通过设置GPS定位置，对水位自记仪7每时断采集的数据进行大致位置标记，从而方便在后期数据分析过程中排除干扰数据)；
中心杆2与加强杆3中设有配重，配重增加了水位自记仪固定装置自重，利于将此装置沉入海底：
水位自记仪7设在中心杆2上，优选的，中心杆2下端设有连接接头，水位自记仪7通过连接接头连接在中心杆2上，通过设置连接接头可以很方便的更换水位自记仪，即可以实现针对不同深度的海水更换不同型号的水位自记仪。
如图4中，固定绳6通过滑动套筒8连接在加强杆3上，滑动套筒8套在加强杆3上、并通过弹性部件9连接，优选的，滑动套筒8直径是加强杆3直径的1.5-2.5倍，滑动套筒8与加强杆3之间至少设有一根横向弹性部件和一根纵向弹性部件连接，固定绳6通过滑动套筒8作用于加强杆3，可以通过横向弹性部件或纵向弹性部件变形，缓冲对固定装置的作用，从而减少固定绳(指示浮漂物受海面水流的影响，并通过固定绳对此装置进行传导)对测试数据的干扰。
3)水位自记仪的设定
现今采用的水位自记仪多为压力式水位自记仪，这种水位自记仪设置时需要注意以下两点：一是大气压的测定，水位自记仪是通过不同深度的压力值减去大气压来反算水深，不同测区的大气压不同，应在自记仪中设置测区实际的大气压。二是水位自记仪有各自的量程，不同水深应选取合适量程的自记仪。
水位自记仪的设定方式一般分两种，一是取瞬时潮位，即水位自记仪记录某时刻的瞬时值，优点是潮位数据真实；二是取平均潮位，即水位自记仪记录某时刻起5S、10S等时段内的瞬时潮位取平均作为该时刻的潮位值，优点是能够一定程度上消弱涌浪的环境影响，减小潮位数据预处理中滤波处理的工作量。
(2)临时潮位站零点联测
如该项目测量事例，对于如图2中“1#”、“2#”、“3#”三个岸边潮位站的零点可通过水准联测和人工比测数据计算潮位站水尺零点，将三站的潮位数据归算到1985国家高程基准。位于海上的“4#”潮位站，无法通过水准联测的方式确定起算零点，采用最小二乘拟合传递推估技术(曲线拟合法)传递临时潮位站的起算零点。
(3)基面计算与传递
本次实验数据中各潮位站的1985国家高程基准与理论最低潮面之间的基面关系采用两种方法相互验证，确保基面关系的准确性。
方法一：沿岸基准潮位站“2#”收集1个月的潮位资料，对该站30d的潮位观测资料，采用潮汐调和分析法计算出M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M6等11个分潮的调和常数；Sa、Ssa分潮的调和常数，由附近长期站一年以上的潮位观测资料求得，最后采用弗拉基米尔法计算出理论最低潮面与1985国家高程基准的基面偏差。
方法二：收集测区附近长期潮位站站与“2#”一个月的同步潮位数据，以及长期潮位站1985国家高程基准与理论最低潮面的关系，根据交通运输部JTS131-2012《水运工程测量规范》7.4.4.3中所述方法，将基面关系传递到测区。
实验数据处理与分析
(1)潮位数据预处理
由于海洋环境恶劣，受涌浪、行船等因素的影响，水位自记仪原始记录数据多为锯齿状，为了得到真实平滑的潮位资料，需要对原始水位资料做平滑预处理。方法有小波滤波处理[5]、MATLAB平滑拟合函数、人工干预等，本次采用MATLAB平滑拟合函数方法(如图5中)。
如上图所示：洋红色锯齿状曲线表示原始水位数据，灰色表示经过平滑拟合后的数据，蓝色表示实际应用潮位数据。由图中可以看出，涨落潮时使用平滑拟合函数与实际潮位数据吻合较好，高低平潮时拟合数据与实际值有一定出入，需要人工干预处理。
(2)潮位站零点联测
沿岸临时潮位站可通过水准联测方式，联测出潮位站基点高程，再通过每天高低潮时人工验潮比测方式推算潮位站零点高程；海域临时潮位站通过最小二乘拟合模型传递。1985国家高程基准的水尺零点最小二乘拟合成果如下表：
表1“4#”最小二乘拟合成果表
(2)基面计算与传递
方法一：采用潮汐调和分析法求解，即在测区基准潮位站“2#”收集1个月的潮位资料，对该站30d的潮位观测资料，采用潮汐短期调和分析法计算出M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M6等11个分潮的调和常数，如下表。
表2短期调和分析成果表
收集附近长期站一年以上的潮位观测资料采用潮汐长期调和分析法求解Sa、Ssa分潮的调和常数，由于本项目无法收集到附近长期站一年的潮位观测资料，现用相近海域某长期潮位站全年潮位资料做数据分析，调和分析成果如下表：
表3长期调和分析成果表
最后采用弗拉基米尔法计算出理论最低潮面在平均海平面下的高度为L＝1.93m。平面海平面的计算采用面积包围法，求解同步期平均海平面的高程为M＝0.19m。则通过潮汐调和分析法求得测区基准潮位站“2#”站理论最低潮面的1985国家高程基准高程为H＝L-M＝1.74m。
方法二：根据某长期潮位站，理论最低潮面与1985国家高程基准的基面关系，采用半潮差法，将基面关系传递到测区基准潮位站“2#”站。长期潮位站站基面关系如图6：测区基准潮位站“2#”站基面关系如图7：
则由半潮差公式：LX/PX＝L/P得：测区基准潮位站“2#”站理论最低潮面的1985国家高程基准高程为H＝1.71m。
由上面分析可以看出通过两种方法推算基准站“2#”站的基面转换关系符合性较好。
Claims (1)
1.一种多潮位站海道地形测量潮位控制的水位自记仪固定装置，其特征在于： 所述装置包括固定盘，在所述固定盘中心点设有中心杆，二根加强杆一端连接在 中心杆上、另一端连接在固定盘边缘上，二根加强杆之间的夹角大于 10 度，二 根所述的加强杆之间通过连接杆连接，在其中一根加强杆与连接杆的连接处设有 固定绳套筒，固定绳一端穿过固定绳套筒连接在另一根加强杆上； 水位自记仪设在中心杆上； 所述中心杆与所述加强杆中设有配重；
所述中心杆下端设有连接接头，水位自记仪通过连接接 头连接在中心杆上；
所述固定绳一端通过滑动套筒连接在加强杆上、另一端 连接指示浮漂，滑动套筒套在加强杆上、并通过弹性部件连接；
所述指示浮漂上还设有 GPS 定位装置；
所述滑动套筒直径是加强杆直径的 1.5-2.5 倍，滑动套 筒与加强杆之间至少设有一根横向弹性部件和一根纵向弹性部件连接。
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