海洋测绘中的验潮及潮位改正
2013-07-01 15:20:31 来源:
潮汐观测通常称为水位观测，又称验潮。其目的是为了了解当地的潮汐性质，应用所获得的潮汐观测资料，来计算该地区的潮汐调和常数、平均海平面、深度基准面、潮汐预报以及提供测量不同时刻的水位该正数等，提供给有关军事、交通、水产、盐业、测绘等部门使用。潮汐观测是海洋工程测量、航道测量等工作的重要组成部分。
潮汐测量，就是测量某固定点的水位随时间的变化,实际上就是测量该点的水深变化。海道测量所采用的验潮站,分为长期验潮站与短期验潮站、临时验潮站和海上定点验潮站,长期验潮站是测区水位控制的基础,它主要用于计算平均海面和深度基准面,计算平均海面要求有两年以上连续观测的水位资料。短期验潮站用于补充长期验潮站的不足,它与长期验潮站共同推算确定区域的深度基准面,一般要求连续30天的水位观测。临时验潮站在水深测量期间设置,要求最少与长期验潮站或短期验潮站同步观测三天,以便联测平均海面或深度基准面,测深期间用于观测瞬时水位,进行水位改正。海上定点验潮,最少在大潮期间与长期或短期站同步观测三次24h,用以推算平均海面、深度基准面和预报瞬时水位。
第一节 固定验潮仪2.1.1仪器种类与性能
1. 井式自记验潮仪
其主要结构有验潮井、浮筒、记录装置组成。
工作原理如下：通过在水面上随井内水面起伏的浮筒带动上面的记录滚筒转动，使得记录针在装有记录纸的记录滚筒上画线，来记录水面的变化情况，达到自动记录潮位的目的。目前，这种通过机械运动获得的潮位的过程可以通过数字记录仪来完成。井式验潮结构见图（9-7），其特点是坚固耐用，滤波性能良好，其缺点是联通导管易堵塞，成本高，机动性差。
（注：井式验潮结构见《海洋调查技术及应用》第106页图9-7）
井式自记验潮仪一般包括浮子式与引压钟式验潮仪[7]。
浮子式验潮仪是利用一漂浮于海面的浮子，它随海面而上下浮动，其随动机构将浮子的上下运动转换为记录纸滚轴的旋转，记录笔则在记录纸上留下潮汐变化的曲线。引压钟式验潮仪是将引压钟放置于水底，将海水压力通过管路引到海面以上，由自动记录器进行记录。为了消除波浪的影响，需在水中建立验潮井，即从海底竖一井至海面，其井底留有小孔与井外的海水相通，采用这种“小孔滤波”的方法将滤除海水的波动，这样井外的海水在涌浪的作用下起伏变化，而由于小孔的“阻挡”作用，使井内的海面几乎不受影响，它只随着潮汐而变。井上一般要建屋以保证设备的工作环境。这两种验潮仪由于安装复杂，须打井建站，适用于岸边的长期定点验潮。其特点是精度较高，维护方便，但一次性投入费用较高，不机动灵活，对环境要求高(如供电、防风防雨等)。国内的长期验潮站大多采用这两种设备。
2. 超声波潮汐计验潮[8]
超声波潮汐计主要有探头、声管、计算机等部分组成。（见图9-8）。其主要特点是利用声学测距原理进行非接触式潮位测量。基本工作原理是通过固定在水位计顶端的声学换能器向下发射声信号，信号遇到声管的校准空和水面分别产生回波，同时记录发射接收的时间差，进而求得水面高度。特点是使用方面，工作量小，滤波性能好，适用测量。
（注：声学水位计见《海洋调查技术及应用》第107页图9-8）
3. 压力式验潮仪验潮[7]
压力式验潮仪是一种较新型的验潮设备，目前已逐步成为常用的验潮设备，它是将验潮仪安置于水下固定位置，通过检测海水的压力变化而推算出海面的起伏变化。按结构可以分机械式水压验潮仪和电子式水压眼验潮仪。机械式水压验潮仪主要有水压钟、橡皮管、U型水银管和自动记录装置组成。电子式水压眼验潮仪主要有水下机、水上机、电缆、数据链等部分组成。（注：机械式水压验潮仪和电子式水压眼验潮仪见《海洋调查技术及应用》第107页图9-9）
它的适用范围较前几种验潮仪要广，它不需要打井建站，无须海岸作依托，不但适用于沿岸，码头，而且对于远离岸边及较深的海域的验潮，它同样能胜任。同时这种验潮仪轻便灵活，对于海测部队的验潮作业机动、灵活、且时间较短(一般为一、两个月)的应用场合，这种验潮仪较为合适。
压力式验潮仪所采用的测压部件——压力传感器又分为表压型和绝压型，其工作原理略有不同，但其基本测量原理是一样的，即检测出海水的静压力，将压力换算成水位。其公式为:
h=p/d
式中 h——水深(cm)；
p——海水静压力(g/cm )；
d——海水的密度(g/cm )，它是海水温度、盐度的函数。
验潮仪以一定的时间间隔定时启动工作，由此可测出不同时刻的水位，这些不同时刻的水位值就是潮汐数据。但对于不同类型的传感器，具体计算方法也有所不同，表压型传感器由于直接测出海水的静压力，因此水位可直接按上式计算，而绝压型传感器所测压力并非海水静压力，而是海水与大气压的合成压力，因此其计算公式应为
h= (p- p )/d
式中
h——水深；
p——检测压力；
p ——检测点检测时的大气压；
d——海水的密度。
压力式验潮仪的第一个特点是(以海军海洋测绘研究所研制的便携式验潮仪和自动验潮仪为例)适应性强，测量水深为0~200m，能适应不同深度的海区。即使海面结冰也仍能验潮。在较浅水域，一般小于10m时，可安装水尺，将验潮仪与水尺安装在一起，零点归算到水尺上，通过联测的方法找到大地基准面与水尺零点的关系，从而找到验潮仪零点与大地基准面的关系。同时还可将验潮仪的数据通过无线发射的方式由其天线发射出去，使10km内的用户均能实时收到潮汐数据。当在较深水域验潮时，可使验潮仪工作在自容状态，按预置的时间间隔定时启动工作，测得的潮汐数据记在仪器内部的存贮器中，待测量任务结束后，由潜水员将设备捞出，再通过接口读出所记的潮汐数据。水深过深，潜水员无法打捞的水域，可在验潮仪上加装声学释放器，测量任务结束要打捞时，通过声代码发射接收机，向验潮仪发出声指令，验潮仪在接到指令后，控制声学释放器释放，自动脱钩上浮到海面。第二个特点是精度高，压力测量精度可达0.1%FS。其缺点是设备工作于自容方式时，设备没有电缆通到水上，因此其供电只能靠电池，由于其有水密要求，因此更换电池不方便，其次是这种验潮仪较声学式验潮仪成本高。压力式验潮仪数据在计算时如果已进行了联测，即找到了验潮仪零点与大地基准面的关系，就可直接将潮汐数据归算到任一已知基准面(如黄海平均海平面)。如果布放点水深较深，无法进行联测，则验潮仪的工作时间应长一些，一般为半个月或一个月甚至更长，对长时间的潮汐数据进行处理，算出调和常数，找出整个测量期间的平均海面。以此面作为基准面给出潮汐数据。
4. 声学式验潮仪[7]
声学式验潮仪属无井验潮仪，根据其声探头(换能器)安装在空气中或水中而分为两类。探头安置在空气中的声学式验潮仪(如国家海洋局海洋技术研究所生产的声学式验潮仪)是在海面以上固定位置安放一声学发射接收探头，探头定时垂直向下发射超声脉冲，声波通过空气到达海面并经海面反射返回到声学探头，通过检测声波发射与海面回波返回到声探头的历时来计算出探头至海面的距离，从而得到海面随时间的变化。潮汐数据可存放于存贮器内。待测量结束后提取出来，其潮高为:
H= h－(c×Δt)／2
式中 H——潮高(m)；
h——声探头在深度基准面以上的高度(m)；
Δt——声脉冲在声探头与瞬时海面之间的往返时间(s)；
c——超声脉冲在空气中的传播速度(m/s)，
为已知量，它是大气压力，温度和湿度的函数。
这种验潮仪的安装一般需在海底打桩，将验潮仪安装在桩的顶部，并保证**时不淹没。通过联测的方法找到大地基准面与验潮仪零点的关系。这种验潮仪特点在于:由于其安装位置可距海面较近，声波在空气中的行程短，因此精度较高；由于设备安装在水上，因此可通过岸电，即使在无岸电而采用电池时，更换电池也较方便。且这种设备成本较低。但是由于其需打桩的安装要求，使它需以海岸作为依托，不能离岸较远，因此测量水深一般较浅。探头安置在水中的声学式验潮仪一是将一声学探头安放在海底，定时垂直向上发射声波，并接收海面的回波以测量安放点的水深，此种方法由于声探头需有电缆连接，因此不能离岸较远。二是采用类似于测深仪的原理，选一块平坦的海区，将声探头放置于海面固定载体上，一般为船或固定漂浮物，定时向海底发射声波，通过检测海底回波以检测载体所在位置的水深。这两种声学验潮方法的特点是，精度较低，首先仪器本身存在至少几厘米的固有误差，另外测量精度与由声探头的姿态有关，同时一般水声换能器有一定的盲区，因此根据换能器的不同，安放位置需要有一定的水深。而在此深度内，海水中的声速不是恒定的，它随海水温度及盐度的变化而改变，同时还受到海水中的悬浮物等因素的影响，水深越浅影响越大。因此声速误差将影响到测深精度。声学式验潮仪在离岸较远的验潮点不便使用，在冬季岸边海水结冰后，声学式验潮仪一般无法工作。
5. GPS验潮[7]
GPS验潮是随着差分GPS(DGPS)技术的不断成熟和发展而逐步发展起来的新技术，它是目前GPS技术发展的主攻方向之一，目前尚处于试验阶段。它是应用了GPS实时动态(Real Time Kinematic——RTK)测量技术，是GPS测量技术与数据传输技术相结合，而构成系统。其工作原理是，在基准站安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据，通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户机上。GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标。
DGPS验潮分为静态与动态验潮。静态验潮是将DGPS验潮站的GPS接收天线安置在靠近岸边或海上固定处的浮筒或测量船上，与岸上GPS接收机实施动态载波相位差分测量，求得DGPS验潮站瞬时海面高度的一种验潮方法。动态验潮是将DGPS验潮站的GPS接收天线安置在船上，与岸上GPS接收机实施动态载波相位差分测量，求得测量
船所处瞬时海面高度的一种验潮方法。测点的GPS测得的海面高度(位置)计算公式为:
d=h-N-d
式中
d——海面在某高程系统中的高度；
h——GPS天线的WGS—84椭球高度；
N——WGS—84参考椭球与所采用高程系统大地水准面的差值；
D ——GPS天线至海面的高度。
值得注意的是，GPS测出的是其在WGS—84椭球中的位置，与以往所采用的验潮仪验潮有所不同，验潮仪所测出的是相对与海底的水深，显然GPS验潮不但包含了海水的潮汐变化，还包含了地壳的固体潮。前面已提到在引潮力的作用下，地壳的起伏可达十几至几十厘米，因此在采用GPS验潮时，要设法修正和减小固体潮的影响。
6. 潮汐遥感测量[7]
潮汐遥感测量是指利用卫星的雷达高度计来测量海面的起伏变化。卫星测高技术可提供全球、特别是偏远地区的潮汐资料，其特点是速度快，经济。但精度较低。它可检测全球的海洋潮汐，为建立全球海洋潮汐模型提供了依据。其测高原理是雷达高度计向海面发射极短的雷达脉冲，测量该脉冲从高度计传输到海面的往返时间，通过必要的改正，便可求出卫星到海面的距离，如果卫星轨道为已知，那么即可得知海面的高度。潮汐遥感测量象GPS验潮一样，同样存在固体潮的影响。
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