珠江水域水下地形測量中時延效應分析

杜志彪 ，石曉春

（1. 廣州港工程管理有限公司，廣東 廣州 510730；2. 廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

目前，差分GPS已廣泛應用于海洋測量，一方面定位系統的精度已得到大幅度提高；另一方面海洋開發事業的發展對定位和測深成果的質量提出了更多和更高的要求[1]。在實際測量過程中，由于GPS定位與測深系統分屬兩個獨立系統，如果定位和測深系統不同步，將使測深值產生位移，整個海區海底形狀會產生變形，這種影響稱為時延效應。現在高新技術手段的應用（差分GPS定位系統及智能測深儀），自動化程度得到了極大提高，時延效應呈現為系統性[2]。針對這種系統性時延效應，多位專家學者根據實踐經驗，已提出相應的探測與修正方法——特征點對法、基于斷面一致性原則確定延時[3]、同一目標探測法、同一測線探測法[4]、特征點匹配法、斷面平移法[5]、波形分析法[6]、測量等深線的偏移[7]、基于相關系數迭代法[8]等方法。本文結合可操作性及工程實際，基于同一測線往返測量，采用斷面平移法對系統性時延效應進行分析，并對系統性延時效應進行探測和改正，得出一些有益的結論，為類似工程應用提供參考。

1 系統性時延效應分析

在實際測量中，由于測深和定位設備的數據采集率以及傳輸通道出現“瓶頸”現象，使得計算機記錄數據不同步，出現數據記錄與采集時刻錯位。由于這樣的時延依賴測量設備信號和計算機數據處理，時延效應表現得非常明顯[3]。

對于測量過程中時延情況，行業作業規范中對此也作了相關要求：測量前測量船應與水位站和定位站校對時間，采用內外業一體化水深測量系統時，應進行導航時延改正[9,10]。本文從定位和測深產生的時延效應出發，來探求系統性時延對測深的影響，如圖1所示。

當測量船沿著計劃線同向施測時，系統性時延將使采集的每個水深值同向移位Δ（圖1a所示），整個海底形狀會產生漂移，當測量船沿計劃測線往返交替施測時(圖1b所示)，系統性時延將使往測方向測深值同向偏移Δ，反測方向測深值反向偏移Δ，整個海底形狀產生條帶狀交叉錯位。移位Δ的大小與船速成正比，按平時常用的測量船速6.5節，即3.3 m/s，當時延為0.5 s時，位移量Δ=1.65 m，往返向位移量會達到2Δ=3.3 m，在高精度、大比例水下地形測量工程中，時延效應不容忽視。

圖1 系統性時延效應示意圖

2 系統性時延改正方法

由于測深工作是在動態環境下進行的，船體姿態對測量水深的結果影響較大，加上沿海水下地形通常比較平坦，憑水深測量數據難以捕獲同一水深特征點的位置。為有效反映水下地形測量中系統時延問題，本文基于同一測線往返測量，采用斷面平移法[5]，對系統性時延效應進行探測和改正。

目前，在基于差分GPS和測深儀的水下地形測量中，二者均可以以較高的采樣率實施定位和測深數據采集。這樣，實測數據可以全面反映水下地形斷面情況，在船速保持近似勻速的情況下，往返斷面的細節可以被清晰地捕捉。因此，往返實測斷面均可以構成一條連續的曲線。由于地形在短時間內不變，通過比較往返斷面的相似性，對往返斷面進行平移，在兩條往返斷面最大相似情況下獲取匹配效果下的位移量。兩個斷面的相似系數可以用（1）式表示：

式中，存在兩個高程序列A和D，當兩個序列完全一樣時，相關系數R為1；當兩個斷面不存在相似性時，相關系數R為0，（式中，D為斷面距離取值范圍，d為斷面平移量）。

平移時，以一個斷面為參考基準。每移動一個距離，會得到一個相關系數，連續移動時，會得到一組相關系數和平移量。在移動距離盡可能小的情況下，當相關系數達到最大時，說明兩個斷面相似性達到最大，而此時的移動量dR-max可以認為是因為時延引起的斷面滯后量。若往返斷面測量過程中，船速平均為和，則系統時延為：

斷面平移方法需要高采樣率的數據密度，這樣才能實現斷面匹配的最大相關性，才能對時延量的確定達到最準。現代海洋測繪中，高度自動化、高采樣率的數據獲取變得容易實現，參與時延計算的數據量足夠大，因此該方法相對傳統方法具有明顯優勢。

3 實例驗證

為驗證該方法的有效性，以珠江內河水域實測數據為例具體分析。實驗設備主要為：HY 1600單頻測深儀，換能器工作頻率為208 kHz，分辨率0.01 m，測量精度為±（0.01 m＋0.1%D，D為所測深度）。天寶SPS351定位設備，頻率范圍為 283.5～325 kHz，定位精度小于1 m。測圖比例為1∶500，水深范圍為0～15 m，每條測線長約400 m，每條測線均進行了往返測量，船速勻速近似為6.5節（即3.3 m/s）。

內業數據處理采用中海達成圖軟件進行數據編輯，進行聲速、吃水、姿態改正后，形成每條斷面的高密度測深值。圖2為一條初始往反測斷面圖，從中可以明顯看出由于時延問題所產生的斷面錯位影響。

通過斷面平移法對斷面線進行修正，修正后的往返測斷面圖如圖3所示。從改正后的效果圖明顯看出，通過時延改正后的斷面，斷面的相似、一致性得到明顯改善，說明時延改正有效消除了系統性時延對測深定位產生的影響，從而確保了成果質量，提高了測量精度。

圖2 初始往返測斷面圖

圖3 斷面平移法修正延遲后往返測斷面圖

為獲取較高準確度的時延量，通過計算4條斷面線的時延量（不同測線對應的時間延遲如表1所示），并求取均值作為最終結果，取平均值0.27 s作為整個時延改正延遲的依據，按平均船速約6.5節計算，時延引起的測深值位移偏差為0.89 m。由此可以看出，時延效應改正是十分必要的。

表1 不同測線對應的時間延遲

4 結 語

差分GPS技術在水下地形測量中，時延效應是引起測深偏差的一個重要因素，尤其是在船速大、坡度大的情況下，引起的測深偏差更大，在進行高精度的測量過程中必須進行必要的時延探測及改正。系統時延效應的探測，必須要有高精度、高密度的水深和定位值，并盡可能獲取多余觀測量，以提高時延確定的精度和可靠性。