航道测量学56海洋测深技术
第五章 海洋测深技术 教学内容 1 海底测测量的主要内容 2 海底测测量的技术术手段 3 几个典型应应用 4 海底测测量的发发展趋势趋势 5 测线测线 布设设 6 测测深精度 7 水位控制 8 海底地形图图 1 海底测量的主要内容 1 1 需求 资源分布 石油 天然气 矿产等 基础设施 电缆 管道 生产平台以及滨海防洪堤 码头 桥梁 和港口等 领海主权 EEZ 1 2 海底地貌学 Seafloor Geomorphology 介于基础科学和应用科学间的一门学科 1 3 测量内容 影像 基础地形和地质信息 包括水深 坡度和粗糙度 表层和浅层沉 积物种类 粒度和属性 沉积速率 过程评估 以及浅层沉积物 特征等 获取和分析多种数据源 1 3 获取和分析多种数据源 绘制 解译海底地形 地貌图 绘制 分析海底及其表层沉积物及类型分 布 初步解译地质条件和变化过程 分析钻孔或现场获取的沉积物的地质和构 造属性 整合地形 地貌 地质 土工参数 可能 的情况下 在现场评估模型中整合海洋数 据 评价预测海底过程 趋势及关系 2 海底测量的技术手段 2 1 定位技术 2 2 回声测深 2 3 多波束测深声纳 2 4 侧扫声纳 2 5 机载激光测深系统 2 6 地层剖面仪 海底地形测量 首先进行海岸或海底平面 高程控制测量 然后进行海底地物 地貌的探测 定位手段有光学仪器 无线电定位系统 卫星定位系统和 水声定位系统等 探测海底地形采用回声测深仪 多波束测深仪和侧扫声纳 等 在透明度好的浅水区也可采用遥感测深系统 小范围的探测 如水下工程 管线敷设以及特别重要的地 貌复杂区的测量 可由潜水员或机器人携带水下经纬仪 水下摄影机等各种水下测量仪器 直接在海底进行测量 随着科学技术的发展 测量方法已逐步趋向自动化 把海 上定位和探测海底地貌 地物的设备与计算机联接 经数 据处理中心处理后 能按要求直接绘制出测量原图 海底地形测量成果用于编制海底地形图 是海洋开发 海 底工程 海上划界 海洋科学研究的重要资料 2 1 定位技术 差分GPS 水下声学定位系统 Underwater Acoustic Positioning System 水下声学定位系统 超短基线 SSBL USBL Super Ultra Short Baseline 声基线长度 10cm 短基线 SBL Short Baseline 声基线长度 20m 50m 长基线 LBL Long Baseline 声基线长度 100m 6000m 组合定位系统 L USBL L SBL S USBL L S USBL 2 2 回声测深 竖直波束水深测量是目前水深数据采集的主要手段 换能器表面至水底的距离 水深 H为 H C t 2 C为声速 如已知精确 声速C 就可求换能器至水底的水深 竖直波束水深测量 竖直波束回声测深仪 竖直波束回声测深仪换能器 GPS和回声测深仪测出水下地形图 2 3 多波束测深系统 多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来 多波束测深系统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 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 使用多波 束测深系统可以测绘各种比例尺的水下地形图 把其测深数据传送给计 算机控制的自动成图系统 绘制海底地形图 彩色三维立体图 地形剖 面图等 多波束测深系统原理图 高效 大范围获取高密度全覆 盖的海底地形地貌数据 获取详细的水下地貌 地质 生物环境和人类遗迹的特征 工程现场测量 测量沿海 大陆架和陆坡地貌 及其变化过程 清晰描绘很多海底特征 如构 造山脊 内部盆地以及一些断 层 大面积的山体滑坡和峡谷 资源评估的基础图 多波束测深系统还可用于扫海 测量 探测海底障碍物 寻找 沉船及高精度海上施工测量 2 3 多波束测深系统 多波束测深系统 多波速测深仪和GPS测出的水下地形图 2 4 侧扫声纳 1 侧扫声纳测量是现阶段扫海测量 应急测量 扫测障碍物的重要手 段 它具有分辨率高反映海底地形彻底等单波束多波束设备所不具 备的优点 是目前寻找水下障碍物最有效的方法之一 2 随着声学 干涉技术及计算机技术的发展 现在出现了新型测深侧 扫声纳 它能够测量出海底的高分辨三维成像 能够测量海底地形 地貌的细微构造 可以同时获得等深线图和地貌图的两大类内容 侧扫声纳测量系统 目标定位 Target Location 海底特征的确定 Determination of Seabed Configuration 石油工业应用 Petroleum Industry Applications 疏浚 Dredging 扫雷 Minehunting 环境应用 Environmental Applications 渔业 Fisheries 2 4 侧扫声纳 StarFish 405H 侧扫声纳 英国Tritech公司 2 4 侧扫声纳 侧扫声纳技术运用海底地物对入射 声波反向散射的原理来探测海底形 态 侧扫声呐技术能直观地提供海 底形态的声成像 在海底测绘 海 底地质勘测 海底工程施工 海底 障碍物和沉积物的探测 以及海底 矿产勘测等方面得到广泛应用 侧扫声纳的基本工作原理与侧视雷 达类似 侧扫声纳左右各安装一条 换能器线阵 首先发射一个短促的 声脉冲 声波按球面波方式向外传 播 碰到海底或水中物体会产生散 射 其中的反向散射波 也叫回波 会按原传播路线返回换能器被换 能器接收 经换能器转换成一系列 电脉冲 侧扫声纳测量图像 2 5 机载激光测深系统 激光测深的原理 机载激光测深系统是90年代 初出现的有别于传统的水深测 量技术 一直到90年代初澳大 利亚的机载激光测深仪 美国 的机载激光雷达扫描海道测量 操作系统才实际应用于水深测 量中 激光测深系统目前测深能力一 般在50m左右 测深精度在 0 3m左右 机载激光测深具有速度快 覆 盖率高 灵活性强等优点 有 广阔的应用前景 机载激光测深颜色深度图 机载激光测深数字水深图 2 6 地层剖面仪 获取沉积物特征的高质量数据 对现代海底和古海底地形地貌过程进行比较 进行探测区域的地质灾害评估 根据穿透地层的厚度 可分为深地层剖面仪 中 深地层剖面仪及浅地层剖面仪 地层剖面仪亦称音响测深仪 是连续走航探测海底地层的仪器 通过地 层剖面仪所测得之资料 可探测海底浅层沉积 地貌的分布状况和海底 地貌等 它的工作原理是用人工方法 如气枪 电火花 电磁脉冲等 激发地震波 当它传播到岩层分界面时 就会反射回海面 由水听器接 收 获得以反射时间与沿航迹距离为坐标的地层横剖面 用磁带记录 则可作各种处理 与少量海洋浅钻相结合 可为港湾 航道和浅钻提供 极有价值的实际资料 对港口洄淤 海底石油钻探 航道整治和海岸军 事设施等有重要意义 根据穿透地层的厚度 可分为深地层剖面仪 中 深地层剖面仪及浅地层剖面仪 浅地层剖面仪的地层探测深度通常为几十米 中层和深层剖面仪分别为 几百米和数千米 声波穿透地层的深度受发射器的声源级 工作频率 海底表层的反射系数和散射系数及地层的声吸收系数等因素影响 声源 强度相同时 最大探测深度与最高工作频率成反比 一般来说 浅地层剖 面仪穿透地层的功率较弱 纵向分辨率则比较高 可达15 30厘米 而深 地层剖面仪功率较强 分辨率则较低 2 7 海底摄影测量 随着海洋光学的研究及其技术的发展 不断有水下摄影系 统 海洋探测激光雷达系统的产品应用于水下工程测量 水下电视摄像系统 水下数字摄像系统是目前获取在水下环 境清晰图像的主要方法 扫海测量中 配置水下数字摄像系 统有助于障碍物性质的判断 提高扫测能力 但水下摄影系统对水域环境要求较高 在水质浑浊 水流较 急的地方适用性差 2 8 遥感海底地形测量 空间遥感技术应用于海底地形测量是20世纪后期海洋科学 取得重大进展的关键技术之一 遥感海底地形测量具有大面积 同步连续观测及高分辨率 和可重复性等优点 微波遥感器还具有全天候的特点 这些都是传统的测量手 段所无法比拟的 遥感设备包括可见光多谱扫描仪 成像光 谱仪 红外辐射计和微波辐射计以及高度计 散射计和成像 雷达 这些遥感器能够直接测量的海洋环境参数有海色 海 面温度 海面粗糙度和海平面高度 在这些参数的基础上可 以反演或计算出若干其他海洋环境参数 其中包括叶绿素和 悬浮粒子浓度 上混合层温度 海面风场 有效波高 海浪 方向谱 海流 潮汐 波动 包括内波 峰面 涡波 上 升流 盐度 海冰 海洋降水 海底地形 海洋重力场和海 洋污染等 3 几个典型应用 3 1 海底管缆敷设与维护 3 2 工程灾害地质监测 3 3 海底滑坡监测 3 4 水下考古 3 5 大陆架与EEZ测量 3 1 海底管缆敷设与维护 使用EM3000多波束系统2005年7月在 海南岛东方附近海域测量的海底输油 管道 海底管道水下沙波 亚欧海底光缆路由多波束勘测 汕头段 1997年 海底深沟 计划路由线 新路由线 3 2 工程灾害地质监测 3 3 海底滑坡监测 麻坑 Pock mark 线形凹地 隆起 麻坑 Pock mark 3 4 水下考古 多波束测深声纳和侧扫声纳测量的千岛湖水下古城 2003年 3 5 大陆架与领海主权 EEZ 测量 4 海底测量的发展趋势 精密定位 PPP PRECISE POINT POSITIONING 定位技术 水下声学定位技术结合高分辨率声纳 系统 为各种厘米级分辨率的精密海底测量提供 相匹配的位置精度 技术融合 多波束声纳 侧扫声纳 地层剖面仪 与地质 地球物理测量互为补充 提供数字化的 水深地形 地貌 声纳图象和从海底表面到深层 的地质类型分布与变化监测 技术评估 结合测量数据的综合模型能重现海底 地形 地貌和地质演变过程并预测未来的发展趋 势 5 测线布设 测线 测量仪器及其载体的探测路线 计划测线和实际测线 海上测线 测深线一般为直线 与陆地测量不同 测深线包括 主测深线 检测线 测线布设两个因素 测线间隔 测线方向 5 测线布设 1 测线间隔 测深密度 指同一测深线上水深点之间所取的间隔 以海图为基准 设置间隔 10mm 我国 以实际地形为基准 设置间隔 6 8 10m 2 比例尺的确定 p1 5000 港池以及一些面积较小但重要的岛屿周围 p1 10000 港湾 锚地 狭窄水道 岛屿附近及其其他 有较大军事价值的海区 p1 250000 开阔的港湾 地貌较复杂的沿岸海区及多岛 屿海区 5 测线布设 新版国际海道测量标准S 44给出了测线间距 的最新标准 单波束回声测深仪的测量间距 其他的测量方式以此为基础 具体问题具 体分析 等级原始测线间距 m 110 2100 3200 4500 5 测线布设 2 检查测深线 为了评定水深测量结果质 量 检查测深与定位是否存在系统误差 而布设的测深线 布设于海底平坦处 尽量与主测深线垂直 分布均匀 长度为主测深线总长度的5 10 检查线的间隔不超过主测线间隔的15倍 5 测线布设 3 测深线布设方向的基本原则 有利于完善地显示海底地貌 近海海底地貌是陆地地貌的延伸 选择坡度大的方向布设测深线 开阔海岸 垂直等深线或者海岸总方向 有利于发现航行障碍物 开阔海岸 垂直等深线或者海岸总方向 有利于发现沙洲 浅滩 在小岛 山嘴 礁石附近 等深线往往平行于其轮廓线 宜布设 辐射状测深线 锯齿形海岸 一般取与海岸总方向成45 的方向布设测深线 有利于工作 平坦海域 根据工作上的方便确定方向 以利于船 艇锚泊 减少航渡时间 测深线不要过短 少改测深线方向 6 测深精度 国际海道测量组织 IHO 确定了新的测量标准 根据探测 海区的精度要求 海底覆盖率不同分为四个测量等级 等级一级二级三级四级 典型海区 重要航道 锚地 最小净深的港 口 航道 推荐航道 港口及港口入 口 水深小于100 米 一 二级测量中 未规定的沿岸海 区或水深小于200 米的区域 一 二级测量中 未规定的非沿岸 海区 水平精度 2m 5
