無驗潮與有驗潮水下地形測量精度分析研究

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）16-0142-04

Precision Analysis Research on Underwater Topographic Surveying without Tidal Observation and Tidal Observation

WANG Bing， FENG Yingxu （China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.，Ltd.，Tianjin 3oo222，China）

Abstract：Underwater topographicsurveying technology is primarilydivided intotwomodes of the tide-free and tidedependent.To systematically evaluate the measurement accuracyof these two modes，this project selects a tidal zone in PanjinCity，LiaoningProvinceasthexperimentalsite.Underthesameexperimentalconditions，RTKtide-freeunderwater topographic surveying and tide-dependent underwater topographic surveying areconducted.At the same time，the more accurate airborneLiDARpointclouddataisusedasthe true value forcomparative analysis，andtheresultsshow that in terms ofaccuracy，thedepthmeasurementaccuracyoftide-dependentandtide-freemethodsisquitesimilar，butthetide-freedepth measurementisslightlymore accurate.Aprerequisitefortide-free depth measurementis that the surveying mustbeconducted inareascovered byarefined geoid model. Otherwise，traditional tide-dependent depth measurement methods mustbe used for topographic surveying.

Keywords：underwater topographic surveying;without tidal observation;tidalobservation;airbome laserrada

0 引言

水下地形測量是指測量江河、湖泊、水庫、港灣和近海水底點的平面位置和高程進行測量，用以繪制水下地形圖的測繪工作。水下地形測量模式分為無驗潮和有驗潮兩種測量模式，其中內陸河湖、水庫等水下地形測量由于周邊被陸地環繞，再加上現代全國各省市CORS基站的飛速建設，基本均采用無驗潮（GPS-RTK驗潮）模式開展水下地形測量工作。而對于海洋水下地形測量而言，因遠海區域未被陸地包圍，缺乏似大地水準面精化模型進行高程轉換，無驗潮測量模式無法滿足測量要求，因此需采用有驗潮水下地形測量模式[1-5]。

近年來，國內學者們針對兩種測量模式的精度開展了大量研究。任少華等學者通過實驗分析了DGPS和全站儀在水下地形測量中的定位精度，對拓展DGPS的使用范圍具有一定的指導意義[；周建鄭等學者通過水庫區域的水下地形測量實踐，分析了GPS實時動態測量（RTK）的基準站、流動站設置與定位工作程序對測點精度的影響，證明了利用RTK技術可有效提高水域測量效率和質量[7；汪門林等學者結合長江南京段揚子巴斯夫碼頭區域江面水下地形測量工程，通過RTK無驗潮測量和有驗潮測量兩種模式的比較，給出了兩種測量方法的差異性，驗證了RTK無驗潮測量精度的可靠性和優越性[8]。大部分學者對兩種測量模式的原理、作業方法及相對精度等內容進行了統計對比分析，但對兩者的絕對測量精度研究較少。

為全面有效地測試兩種測量模式的絕對與相對精度，本文選取遼寧省盤錦市某潮間帶海域為實驗區域，區域面積約 1.7km² ，該區域特點為低潮時為裸露的硬質沙灘地，高潮時被海水淹沒[。在潮間帶高潮時，分別采用基于有驗潮模式和基于LNCORS的網絡RTK無驗潮模式開展水下地形測量；在潮間帶低潮時，采用無人機搭載激光雷達獲取高程點云數據。最后以精度更高的點云數據視為真值，對有驗潮和無驗潮兩種測量模式的地形數據進行精度對比分析。

1有驗潮水下地形測量

有驗潮水下地形測量模式是指由于水面區域高程基準無法通過傳統水準測量進行引測，需要布設驗潮站將高程基準傳遞至測區后從而獲取水下地形的真實高程值[1]。有驗潮水下地形測量獲取的潮位站數據能夠準確反映局部水位波動，尤其適用于潮汐變化顯著或地形復雜的近岸區域。但其測量精度受到潮位站的位置、數據采集頻率以及潮汐模型的準確性等因素影響。如果潮位站距離測量區域較遠，或者潮汐模型不能準確反映實際水位變化，可能會引入誤差。此外，驗潮數據的同步性也很重要，如果時間同步不佳，也會影響精度。

測量開始前在測區周邊布設了4座臨時驗潮站，驗潮站位置如圖1所示。相鄰驗潮站之間滿足最大潮高差不大于 1m 、最大潮時差不大于 ^2h ，且潮汐性質應基本相同的要求，潮位儀采樣間隔設為 5min 。根據4座臨時驗潮站的零點高程基準，采用三角潮帶解析法對測深點1985高程改正。將4座臨時驗潮站分為2個三角分帶，如圖1所示。采用水位連續差值法中時差法，先將各區塊內3個臨時驗潮站的潮位數據各擬合成一個多項式，計算出各站間隔 3min 的潮位，然后求出任一測深點 P 距離各潮位站時間延遲，進而歸算出P點當時時刻的潮位，用P點的潮位減去單波束測深儀獲取的瞬時水深，獲得各測深點P的1985高程值。

圖1臨時驗潮站位置及三角分帶示意圖

1.1臨時驗潮站基準傳遞

以盤錦站驗潮零點（通過四等水準連測獲取1985國家高程基準高程值）為起算基準，采用同步水位觀測平均海平面法推算布設的PJ01、PJ02、PJ03、PJ04四個臨時驗潮站零點的1985國家高程基準高程值，如圖2所示。

1.2 測深點水位改正

P點為位于各區塊三個驗潮站之間的任意一測深點，首先以A站為基準，求得B、C站相對于A站的潮時差即 τ_B ， τ_c ；進一步求得待求點 P 相對于A站的潮時差，算式如下：

其中， x_P 、 y_P 、 x_A 、 x_B 、 x_c 、 y_c 分別表示A、B、C、P四點的平面坐標， τ_B 、 τ_C ， τ_P 分別表示B、C、P三點相對于A站的潮時差。

然后進行時間歸化，相應待求點 P 點在t時刻各站的時間為：

t_A=t+t_P

然后根據 t_?A ， t_?B ， t_c 分別求出A、B、C各站深度基準面上的水位，最后得到A、B、C三站控制范圍內任一 P 點在t時刻的水位改正數為：

-（x_c-x_A）（h_B-h_A）]}÷[（x_B-x_A）（y_B-y_A）-（y_B-y_A）（x_c-x_A）]

其中， h_?A ， h_B ， h_c ， h_P 分別表示A、B、C、P四點在 t 時刻的水位。最后根據各測點 P 瞬時水深值 H_s 及該點的水位改正數求取該點1985高程值：

H=h_p-H_s

其中， H 表示 P 點的1985國家高程基準下的高程值； H_s 表示 P 點瞬時水深值。

2 無驗潮水下地形測量

無驗潮水下地形測量模式是指基于GPS-RTK實時定位技術能夠準確獲取測量點位的平面坐標及高程，結合測深儀獲取的水深值，可進一步求取海底地形測量點位的高程值。無驗潮測量模式具有實時快速測量、節省人工驗潮成本和測量工序、同時可得到即時水位、消除動吃水及涌浪等優勢。但該種方法受GNSS信號質量影響大，遮擋或多路徑效應會顯著降低精度。此外，該測量模式還受限于僅能獲取大地高，需在似大地水準面精化模型范圍內進行地形測量[1-12]

本實驗區域兩側均被陸地包圍，區域能被遼寧省似大地水準面精化模型覆蓋，故采用基于LNCORS的網絡RTK技術配合單波束測深儀完成實驗區域水下數據采集，最后通過似大地水準面精化模型將各測點高程轉換至1985國家高程基準下的高程值。

3機載激光雷達數據獲取

機載激光雷達是激光探測與測距系統，它集成了GPS、IMU、激光掃描儀等光譜成像設備。其中激光掃描儀利用返回的脈沖可獲取探測目標高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像技術可獲取探測目標的數字成像信息，經過地面的信息處理而生成逐個地面采樣點的三維坐標，最后經過綜合處理而得到沿一定條帶的地面區域三維定位與成像結果[13]。

在測區低潮時，采用固定翼無人機作為航攝飛行平臺，搭載超高精度的RIEGLVUX-1LR22機載激光雷達掃描系統（高程測量精度為 ±15mm ），同時借助LNCORS定位系統完成實驗區域的高程數據掃描，最后通過遼寧省似大地水準面精化模型完成點云數據高程值向1985國家高程基準的轉換。

將航攝激光點云數據加載到點云處理軟件TerraSolid中，首先進行點云數據坐標轉換和點云數據分塊。根據測區地形地物特點確定該區域點云濾波方案，并使用該方案進行點云自動濾波。利用外業實測檢查點對自動濾波后的點云數據進行精度檢查，確定精度滿足項目要求后進行人工編輯分類，獲取地面點云和非地面點云數據。最終，采用地面點云數據建立不規則三角網（TIN）模型，并按規則格網采用雙線性內插方法，生成格網間距為 2m 的成果。

4精度對比分析

將三種測量方法獲取的實驗區域高程數據進行疊加對比分析，根據相關規范，對比時按照相距圖上 1mm 范圍內的點位視為重合點，進行高程提取對比，具體結果如下。

4.1有驗潮與無驗潮水深測量相對精度對比

如表1和圖3所示，兩種測量模式獲取的水下地形點中共提取1102個重合點位，按照同精度檢測方法計算，對比中誤差為 ±0.073m 。其中誤差最大值為0.23m ，小于《海道測量規范》（GB12327—2022）中要求的 ±0.5m 的誤差限差要求。通過兩者相對精度統計可以看出，有驗潮與無驗潮兩種水深測量方法測量精度相差不大，均能滿足水下地形測量工作的需求。

表1有驗潮與無驗潮水深測量相對精度統計表

圖3有驗潮與無驗潮水深測量相對誤差正態分布圖

4.2有驗潮與無驗潮水深測量絕對精度對比

本實驗采用的RIEGLVUX-1LR機載激光雷達掃描系統高程測量精度可達 ±15mm ，其測量精度遠遠高于水下地形測量的精度。在測量學中，在精度對比時可將精度較高的數據作為真值，從而對精度較低的測量值進行精度評定。

故本實驗將上述1102個有驗潮與無驗潮重合點根據其平面坐標在點云模型中進行高程提取，將點云提取的高程視為真值，按照高精度檢測方法計算：無驗潮水深測量中誤差為 ±0.093m ，有驗潮水深測量中誤差為 ±0.142m 。其中無驗潮模式測量誤差最大值為 -0.19m ，有驗潮模式測量誤差最大值為0.32m ，兩種測量模式精度均滿足《海道測量規范》（GB12327—2022）中要求的 ±0.5m 的誤差限差要求。

通過表2及圖4誤差正態分布圖可以看出，基于RTK技術的無驗潮水深測量精度與傳統的有驗潮水深測量方法相比，無驗潮水深測量誤差正態分布更加收斂，即中誤差更小、測量精度相對更高。分析其原因有以下幾點：

1）無驗潮水深測量通過GNSS-RTK（或PPK）技術直接獲取測船瞬時高程（天線至橢球面），無須外推潮位數據，避免了因潮位站位置偏差或水文條件

不同步導致的系統性誤差。

2）無驗潮水深測量GNSS高程數據與測深數據嚴格同步，可實時動態校正水位變化（如潮汐、波浪），尤其適用于潮汐快速變化的區域，減少時間差引入的誤差。

3）有驗潮測量模式依賴單一潮位站數據，缺乏對船體姿態、聲速剖面的實時動態補償；而無驗潮水深測量定位設備能夠提供厘米級平面和高程定位，能夠實時消除涌浪、動吃水等精度影響。

4）無驗潮水深測量自動化程度高，從定位到水深計算全程數字化，可減少人為操作失誤帶來的測量誤差。

表2有驗潮與無驗潮水深測量絕對精度統計表

圖4有驗潮與無驗潮水深測量絕對誤差正態分布對比圖

5結論

本文通過以更高精度的激光點云數據為測量真值，對有驗潮與無驗潮兩種水深測量模式的絕對精度和相對精度進行了對比分析，結果表明，有驗潮與無驗潮兩種水深測量方法的測量精度相差不大，但無驗潮水深測量精度更高。

無驗潮水深測量精度與傳統的有驗潮水深測量方法相比，能夠提供厘米級平面和高程定位，并且能夠實時消除涌浪、動吃水等精度影響，因此精度更高。

但其前提條件為需在似大地水準面精化模型覆蓋區域開展測量工作，否則，只能采用傳統的有驗潮水深測量方法開展地形測量工作。

無驗潮模式精度優勢的核心在于技術集成與實時性，通過直接獲取動態高程數據，減少傳統驗潮模式中的外推誤差和操作干擾。然而，其精度優勢需依賴設備性能和環境條件，實際應用中常與驗潮數據交叉驗證以確?？煽啃浴?/p>

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作者簡介：王冰（1990.07一），男，漢族，河北衡水人，工程師，碩士，研究方向：水利工程測量。