CN110081864A - 一种顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法，利用在地形特征变化方向的往返断面测量数据校准单波束测深系统由于数据传输延迟、波束角效应、换能器安装偏差等因素引起的综合误差。单波束测深系统中GNSS数据传输延迟可视为固定值，而测深仪超声波信号从发射到接收、波束角效应、换能器安装偏差等因素造成测深误差与所测水域水深值正相关。本发明利用地形特征方向上同速反向校准数据，经声速剖面改正后，分别量取不同水深值下校准数据的偏移值，根据船速计算不同水深值的延迟值，从而建立单波束测深系统“水深—延迟”数学模型，实现对单波束测深系统综合误差中的固定误差、与深度相关的误差造成的综合延迟校准的目的。

Description

一种顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法

技术领域

本发明涉及一种水深测量延迟改正方法，具体为一种顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法，属于海洋测绘水深测量应用技术领域。

背景技术

目前水下地形测量多采用单波束测深系统测量，主要是GNSS定位、回声测深仪测量水深，由于数据传输延迟、波束角效应、换能器安装偏差等因素引起了综合延迟。其表现形式为断面往返测量过程中因综合延迟导致地形出现“波浪型”，断面出现位移差。目前业界对引起该现象原因主要归结为定位、测深数据不同步引起的，但产生该现象实则为数据传输延迟、波束角效应、换能器安装偏差等因素引起。再者对延迟改正方法，目前都采用单一的“综合值”来改正整个断面延迟，但实际情况数据传输延迟、波束角效应、换能器安装偏差均与所测水深值是正相关的，应根据水深不同而采用不同延迟值。经过对上述误差产生原因分析的基础上，经实测数据分析、验证，提出利用数学模型解决顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法，解决目前利用单一“综合值”改正测深综合延迟带来的误差，有效的解决不同深度测深实际延迟值不同的问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法，利用在地形特征变化方向的往返断面测量数据作为校准数据，求取各单波束测深系统测量水深值的综合改正值，利用回归分析法建立“水深—延迟”数据模型，实现对单波束测深系统综合误差的改正；该法大大削弱了目前利用采用单一值进行单波束测深系统延迟改正引起的定位与测深数据不匹配产生的系统误差，大大提高了水下地形测量的精度。

优选的，所述的顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法中，校准数据测线布置应在沿着测量河段内最大水深区域内地形特征变化方向上，选取斜坡或较大突出物；校准数据采集偏离基准线间距应小于1m；校准数据采集的测深仪量程设置应与实际作业时采用的量程设置相同，数据采集应沿着基准线往返、同速测量；校准测深数据采集软件可采用主流的测深商用软件，其应具备将所有测深数据、定位数据完整获取的功能，使得获取的基准线数据全面完整。

优选的，所述的顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法中，延迟计算文件应包含往返基准断面测量各水深值对应的水平位移量、船速，按照Δt＝ΔL/2V分别各水深值对应的延迟值，其中Δt为综合延迟值，ΔL为各水深值对应的水平位移量，V为船速。

优选的，所述的延迟值计算前应对测深数据应进行100％校对，如需进行声速剖面改正，应进行声速剖面改正后再来求取延迟值；水深值应消除水位变化影响；各水深对应的水平位移量计算时应先将测深数据中定位数据与测深数据调制为“起点距—水深”文件，起点距根据校准基准线中起点坐标与测点坐标计算，按计算，式中(X，Y)为基准线测点坐标，(X₀，Y₀)为基准线起点坐标；将基准断面往返测量“起点距—水深”文件利用机助绘图软件套绘成图；依据“起点距—水深”文件，依次将各点利用折线绘制成图，利用绘图软件分别量取各水深对应的水平位移量。

优选的，所述的顾及水深的水深测量综合延迟改正方法中，“水深—延迟”关系曲线确定是利用“水深—延迟”离散点采用一元线性回归分析法确定其数学模型，其数学模型利用y＝a+b×x表示，利用最小二乘估计，则 式中，x_i为各“水深—延迟”离散点中的水深值，为其均值；y_i为各“水深—延迟”离散点中的延迟值，为其均值。

优选的，“水深—延迟”数学模型可靠性可通过二者相关系数来评定，相关系数计算式为式中，X为水深值，Y为延迟值。相关系数取值范围为[-1，1]，|r|越接近1，说明两变量相关程度越高。

优选的，所述的顾及水深的水深测量综合延迟改正方法中，延迟改正式为：

式中，(X，Y)为改正后的坐标，(X′，Y′)为实测点坐标为，α由前后两测点反算坐标方位角。

本发明的有益效果是：本发明利用在地形特征变化方向的往返断面测量数据校准单波束测深系统由于数据传输延迟、波束角效应、换能器安装偏差等因素引起的综合误差。单波束测深系统中GNSS数据传输延迟可视为固定值，而测深仪超声波信号从发射到接收、波束角效应、换能器安装偏差等因素造成测深误差与所测水域水深值正相关。本发明利用地形特征方向上同速反向校准数据，经声速剖面改正后，分别量取不同水深值下校准数据的偏移值，根据船速计算不同水深值的延迟值，从而建立单波束测深系统“水深—延迟”数学模型，实现对单波束测深系统综合误差中的固定误差、与深度相关的误差造成的综合延迟校准的目的；本发明的利用顾及水深的水深测量综合延迟改正方法通过数学模型有效的解决不同水深的测深综合延迟问题，大大地提高了水下地形、断面测量精度，有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明机助绘图软件量取不同深度水深值示意图。

图2为本发明建立水深-延迟数学模型。

图3为本发明原始文件往返测量断面图。

图4为本发明改正后文件往返测量断面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4所示，一种顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法，利用在地形特征变化方向的往返断面测量数据作为校准数据，求取各单波束测深系统测量水深值的综合改正值，利用回归分析法建立“水深—延迟”数据模型，实现对单波束测深系统综合误差的改正；该法大大削弱了目前利用采用单一值进行单波束测深系统延迟改正引起的定位与测深数据不匹配产生的系统误差，大大提高了水下地形测量的精度。

具体的，所述的顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法中，校准数据测线布置应在沿着测量河段内最大水深区域内地形特征变化方向上，选取斜坡或较大突出物；校准数据采集偏离基准线间距应小于1m；校准数据采集的测深仪量程设置应与实际作业时采用的量程设置相同，数据采集应沿着基准线往返、同速测量；校准测深数据采集软件可采用主流的测深商用软件，其应具备将所有测深数据、定位数据完整获取的功能，使得获取的基准线数据全面完整。

具体的，所述的顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法中，延迟计算文件应包含往返基准断面测量各水深值对应的水平位移量、船速，按照Δt＝ΔL/2V分别各水深值对应的延迟值，其中Δt为综合延迟值，ΔL为各水深值对应的水平位移量，V为船速。

具体的，所述的延迟值计算前应对测深数据应进行100％校对，如需进行声速剖面改正，应进行声速剖面改正后再来求取延迟值；水深值应消除水位变化影响；各水深对应的水平位移量计算时应先将测深数据中定位数据与测深数据调制为“起点距—水深”文件，起点距根据校准基准线中起点坐标与测点坐标计算，按计算，式中(X，Y)为基准线测点坐标，(X₀，Y₀)为基准线起点坐标；将基准断面往返测量“起点距—水深”文件利用机助绘图软件套绘成图；依据“起点距—水深”文件，依次将各点利用折线绘制成图，利用绘图软件分别量取各水深对应的水平位移量。

具体的，所述的顾及水深的水深测量综合延迟改正方法中，“水深—延迟”关系曲线确定是利用“水深—延迟”离散点采用一元线性回归分析法确定其数学模型，其数学模型利用y＝a+b×x表示，利用最小二乘估计，则 式中，x_i为各“水深—延迟”离散点中的水深值，为其均值；y_i为各“水深—延迟”离散点中的延迟值，为其均值。

具体的，“水深—延迟”数学模型可靠性可通过二者相关系数来评定，相关系数计算式为式中，X为水深值，Y为延迟值。相关系数取值范围为[-1，1]，|r|越接近1，说明两变量相关程度越高。

具体的，所述的顾及水深的水深测量综合延迟改正方法中，延迟改正式为：

式中，(X，Y)为改正后的坐标，(X′，Y′)为实测点坐标为，α由前后两测点反算坐标方位角。

本发明在使用时，测前安装：安装测深仪，利用具有照准竖丝的全站仪、经纬仪、水准仪辅助安装，使得测深仪换能器在船舶静止状态下竖直。安装GNSS天线，利用具有照准竖丝的全站仪、经纬仪、水准仪或垂球辅助，实现GNSS天线相位中心与测深仪相位中心在竖直方向同位。量取换能器吃水深，测定水体声速，如水体有温度梯度，应测定声速剖面数据。

校准数据获取：根据已有地形、断面资料或者测前利用测深仪预测，尽量选取测区最深区域沿地形变化方向布置校准测线，校准线布置应具有代表性，可代表所改正区域断面形状、水深。利用主流的商用测深软件，往返、同线、同速测得校准线数据，测量应往返测两次。校准数据测量时应同时观测水位。

往返断面位移量量取：利用校准测线桩点坐标，以其中一桩点为起点，计算各测点水深值距离起点的距离值，计算式为计算，式中(X，Y)为基准测线测点坐标，(X₀，Y₀)为基准测线起点坐标。对测深数据去除水位变化影响，得到同一基准下的水深值，建立“起点距—水深”文件，利用机助绘图软件将往返测数据套绘，利用机助绘图软件量取各水深下的往返测位移量，如图1所示。

延迟计算：利用往返测位移量、船速计算各深度下的综合延迟值。Δt＝ΔL/2V，其中Δt为综合延迟值，ΔL为各深度对应的水平位移量，V为船速。

建立“水深—延迟”文件：利用各水深值及相应延迟值，建立水深—延迟”文件。如表1所示。

表1水深—延迟统计表

建立“水深—延迟”数学模型：利用利用“水深—延迟”离散点采用一元线性回归分析法确定“水深—延迟”数学模型，其数学模型利用y＝a+b×x表示，a、b系数确定，可利用最小二乘估计计算，或者采用Excel、OriginPro等软件确定数学模型，最小二乘估计计算式为： 式中，x_i为各“水深—延迟”离散点中的水深值，为其均值。y_i为各“水深—延迟”离散点中的延迟值，为其均值。利用OriginPro建立曲线如图2所示。由表1求得该套测深系统船速为3.9节时，水深与延迟的数据模型式为：Y＝0.17+0.03X。

数学相关系数确定：相关系数由卡尔·皮尔森提出，适用于两个正态分布的连续变量之间的线性相关性分析，已被广泛应用于科学的各个领域，其值可通过公式或者Excel、OriginPro软件计算，其计算式为：其含义同最小二乘估计计算式。相关系数值大小所代表的相关性见表2。

表2|r|取值与相关程度

相关系数取值范围为[-1，1]，|r|越接近1，说明两变量相关程度越高。本案例计算r_XY＝0.95，由此可见，水深与延迟具有极高相关性。

延迟改正：顾及水深的水深测量综合延迟改正方法中，延迟改正式为：

式中，(X，Y)为改正后的坐标，(X′，Y′)为实测点坐标为，α由前后两测点反算坐标方位角。改正前见图3，改正后效果见图4。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法，其特征在于：利用在地形特征变化方向的往返断面测量数据作为校准数据，求取各单波束测深系统测量水深值的综合改正值，利用回归分析法建立“水深—延迟”数据模型，实现对单波束测深系统综合误差的改正；该法大大削弱了目前利用采用单一值进行单波束测深系统延迟改正引起的定位与测深数据不匹配产生的系统误差，大大提高了水下地形测量的精度。

2.根据权利要求1所述的顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法，其特征在于：所述的顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法中，校准数据测线布置应在沿着测量河段内最大水深区域内地形特征变化方向上，选取斜坡或较大突出物；校准数据采集偏离基准线间距应小于1m；校准数据采集的测深仪量程设置应与实际作业时采用的量程设置相同，数据采集应沿着基准线往返、同速测量；校准测深数据采集软件可采用主流的测深商用软件，其应具备将所有测深数据、定位数据完整获取的功能，使得获取的基准线数据全面完整。

3.根据权利要求1所述的顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法，其特征在于：所述的顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法中，延迟计算文件应包含往返基准断面测量各水深值对应的水平位移量、船速，按照Δt＝ΔL/2V分别各水深值对应的延迟值，其中Δt为综合延迟值，ΔL为各水深值对应的水平位移量，V为船速。

4.根据权利要求3所述的顾及水深值的水深测量综合延迟改正方法，其特征在于：所述的延迟值计算前应对测深数据应进行100％校对，如需进行声速剖面改正，应进行声速剖面改正后再来求取延迟值；水深值应消除水位变化影响；各水深对应的水平位移量计算时应先将测深数据中定位数据与测深数据调制为“起点距—水深”文件，起点距根据校准基准线中起点坐标与测点坐标计算，按计算，式中(X，Y)为基准线测点坐标，(X₀，Y₀)为基准线起点坐标；将基准断面往返测量“起点距—水深”文件利用机助绘图软件套绘成图；依据“起点距—水深”文件，依次将各点利用折线绘制成图，利用绘图软件分别量取各水深对应的水平位移量。

5.根据权利要求1所述的顾及水深的水深测量综合延迟改正方法，其特征在于：所述的顾及水深的水深测量综合延迟改正方法中，“水深—延迟”关系曲线确定是利用“水深—延迟”离散点采用一元线性回归分析法确定其数学模型，其数学模型利用y＝a+b×x表示，利用最小二乘估计，则式中，x_i为各“水深—延迟”离散点中的水深值，为其均值；y_i为各“水深—延迟”离散点中的延迟值，为其均值。

6.根据权利要求5所述的顾及水深的水深测量综合延迟改正方法，其特征在于：“水深—延迟”数学模型可靠性可通过二者相关系数来评定，相关系数计算式为式中，X为水深值，Y为延迟值；相关系数取值范围为[-1，1]，|r|越接近1，说明两变量相关程度越高。

7.根据权利要求5所述的顾及水深的水深测量综合延迟改正方法，其特征在于：所述的顾及水深的水深测量综合延迟改正方法中，延迟改正式为：

式中，(X，Y)为改正后的坐标，(X′，Y′)为实测点坐标为，α由前后两测点反算坐标方位角。